Tài liệu đánh giá và so sánh hiệu suất giao thức tầng mac theo chuẩn ieee802.11, ieee802.15.4 và ieee802.15.3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VÕ VĂN HƢNG ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH HIỆU SUẤT GIAO THỨC TẦNG MAC THEO CHUẨN IEEE802.11, IEEE802.15.4 VÀ IEEE802.15.3 LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội – 2009 3 MỤC LỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...................................................................... 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... 9 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................ 12 1.1. Mạng LAN không dây ......................................................................... 13 1.1.1. Lịch sử của WLAN ........................................................................ 13 1.1.2. Ưu, nhược điểm của WLAN: ......................................................... 14 1.1.3. Một số ứng dụng của WLAN ......................................................... 15 1.1.4. Nguyên nhân chính không sử dụng CSMA/CD trong WLAN ...... 15 1.2. Một số mạng không dây khác ............................................................. 17 1.2.1. Mạng không dây 802.15.4.............................................................. 17 1.2.2. Mạng không dây 802.15.3.............................................................. 17 1.3. Các vấn đề mà luận văn tập trung nghiên cứu và giải quyết ............ 17 CHƢƠNG 2: KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG THEO CHUẨN IEEE 802.11 .............................................................................................................. 19 2.1 Kiến trúc giao thức mạng IEEE 802.11 ............................................... 19 2.1.1. Các thành phần kiến trúc của IEEE 802.11 .................................. 19 2.1.2 Kiến trúc tầng MAC .................................................................... 21 2.1.3. Cấu trúc khung .............................................................................. 21 2.2 Lớp Vật lý .......................................................................................... 28 2.3 Lớp MAC ........................................................................................... 29 2.3.1. Giao thức CSMA/CA ..................................................................... 29 2.3.2 Giao thức CSMA/CA + ACK .......................................................... 30 2.3.3. Giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS ...................................... 31 2.3.4. Chức năng DCF, PCF ................................................................... 32 2.5 Một số chức năng quan trọng khác của tầng MAC ......................... 35 2.5.1 Phân mảnh và hợp nhất các mảnh ................................................. 35 2.5.2. Đồng bộ hóa ................................................................................... 37 2.5.3 Chuyển vùng ................................................................................... 39 CHƢƠNG 3: KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG THEO CHUẨN IEEE 802.15.4 ........................................................................................................... 40 3.1 Các thành phần của IEEE 802.15.4 WPAN ........................................ 40 3.2 Tô-pô mạng sử dụng trong LR-WPAN ............................................... 40 3.2.1 Tô-pô mạng hình sao ...................................................................... 41 3.2.2 Tô-pô mạng ngang hàng................................................................. 41 4 3.3. Kiến trúc của LR-WPAN .................................................................... 41 3.4 Mô hình truyền dữ liệu......................................................................... 42 3.4.1 Truyền dữ liệu đến Coordinator. .................................................... 42 3.4.2 Truyền dữ liệu từ Coordinator ....................................................... 43 3.4.3 Tryền dữ liệu trên các thiết bị ngang hàng .................................... 44 3.5 Cấu trúc khung ..................................................................................... 44 3.5.1 Cấu trúc chung của khung MAC ................................................... 44 3.5.2 Cấu trúc các kiểu khung ................................................................. 45 3.6 Điều khiển truy cập môi trƣờng truyền............................................... 47 3.6.1 Cấu trúc siêu khung ....................................................................... 47 3.6.2 Thuật toán CSMA/CA..................................................................... 49 3.7. Một số chức năng của tầng MAC ....................................................... 53 3.7.1 Quét kênh ........................................................................................ 53 3.7.2 Liên kết với Coordinator ................................................................. 55 3.7.3 Ngắt liên kết với Coordinator ......................................................... 56 3.7.4 Sự đồng bộ hóa ............................................................................... 56 CHƢƠNG 4: KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG THEO CHUẨN IEEE 802.15.3 ........................................................................................................... 59 4.1 Các thành phần của IEEE 802.15.4 WPAN ........................................ 59 4.1.1 Các thành phần của Piconet. .......................................................... 59 4.2 Các phƣơng pháp trao đổi dữ liệu giữa các DEV ............................... 60 4.3 Cấu trúc của khung MAC .................................................................... 61 4.3.1 Cấu trúc chung ............................................................................... 61 4.3.2 Cấu trúc khung Beacon .................................................................. 64 4.3.3 Cấu trúc các khung báo nhận ........................................................ 66 4.3.4 Cấu trúc khung Lệnh ..................................................................... 67 4.3.5 Cấu trúc khung dữ liệu ................................................................... 68 4.4 Điều khiển truy cập môi trƣờng truyền............................................... 68 4.4.1. Cấu trúc siêu khung ...................................................................... 68 4.4.2 Interframe space (IFS) ................................................................... 69 4.4.3. Truy cập kênh truyền ..................................................................... 70 4.5 Một số chức năng của tầng MAC ........................................................ 72 4.5.1 Quét kênh ........................................................................................ 72 4.5.2 Khởi tạo Piconet ............................................................................. 73 4.5.3 Chuyển vùng PNC .......................................................................... 74 4.5.4 Dừng piconet................................................................................... 76 4.5.5. Quá trình liên kết và phân tách với một piconet ............................ 77 CHƢƠNG 5: ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CÁC GIAO THỨC MAC 802.11, 802.15.4 VÀ 802.15.3 ...................................................................................... 83 5.1. Giới thiệu về đánh giá hiệu suất giao thức ......................................... 83 5 5.1.1 Khái niệm ........................................................................................ 83 5.1.2 Tầm quan trọng của đánh giá hiệu suất......................................... 83 5.1.3 Một số độ đo hiệu suất .................................................................... 84 5.2. Mô phỏng bằng chƣơng trình máy tính ............................................. 84 5.2.1 Khái niệm mô phỏng....................................................................... 84 5.2.2 Nhu cầu sử dụng mô phỏng ........................................................... 84 5.3. Bộ mô phỏng mạng NS-2 (Network Simulator 2) .............................. 85 5.3.1 Giới thiệu bộ mô phỏng NS-2 ......................................................... 85 5.3.2 Cấu trúc NS-2 ................................................................................. 86 5.3.2. Khả năng mô phỏng cho IEEE 802.11 trong NS-2 ....................... 87 5.3.3 Khả năng mô phỏng cho IEEE 802.15.3 trong NS2 ...................... 88 5.3.4 Khả năng mô phỏng cho IEEE 802.15.4 trong NS2 ...................... 90 5.4 Thực nghiệm mô phỏng ........................................................................ 91 5.4.1 Thực nghiệm 1: Ảnh hưởng của RTS/CTS trong 802.11............... 91 5.4.2 Thực nghiệm 2 ................................................................................ 92 5.4.3 Thực nghiệm 3: Mô phỏng mạng hình sao. ................................... 96 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 100 6 CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh ACK ACKnowledgement AODV Ad-hoc On-demand Distance Vector AID Association Identifier AP ATP BE BER BI BIFS BLE BO BSA BSID Access Point Association Timeout Period Backoff Exponent Bit Error Rate Beacon Interval Backoff Interframe Space Battery Life Extension Beacon Order Base Station Beacon Source Identifier BSS CAP Base Service Set Contention Access Period CBR CCA CF CFP CRC CSMA/CA CSMA/CD CTA CTAP Constant Bit Rate Clear Channel Assessment Contention Free Contention-Free Period Cyclic Redundancy Check Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Channel Time Allocation Channel Time Allocation Period CTS Clear To Send CW Congestion Window DA Destination Address DCF DEV DEVID Distributed Coordination Function Device Device Identifier DIFS Dly-ACK DME DCF Inter khung Spacing Delayed Acknowledgment Device Management Entity 7 DS Distribution System DSDV DSSS ESS FCS FCSL FFD FH FHSS FTP GTS HTTP IBSS ICV IE IEEE IFS Imm-ACK IP IV LAN LIFS LLC LR-WPAN MAC MAN McstID MCTA MF MIFS MLME MLME-SAP MMPDU MPDU MSDU NAV NB NS Destination-Sequenced Distance Vector Direct Sequence Spread Spectrum Extended Service Set Frame Check Sequence Frame Convergence Sublayer Full-Function Device Frequency Hopping Frequency Hopping Spread Spectrum File Transfer Protocol Guaranteed Time Slot HyperText Transfer Protocol Independent BSS Integrity Check Value Information Element The Institute of Electrical and Electronics Engineers Interframe Space Immediate Acknowledgment Internet Protocol Initialization Vector Local Area Network Long Interframe Spacing Logical Link Control Low-rate Wireless Personal Area Network Medium Access Control Metropolitan Area Network Multicast Identifier Management Channel Time Allocation More Fragment Minimum Interframe Space MAC Layer Management Entity MAC Layer Management Entity Service Access Point MAC Management Protocol Data Unit MAC Protocol Data Unit MAC Service Data Unit Network Allocation Vector Number of Backoff Network Simutator 8 PAN PC PCF PER PHY PLCP PLME PLME-SAP PMD PNC PNCID PNID PS RA RFD RIFS RTS SA SFC SIFS SO SrcID SSCS TA TCP/IP TrgtID Personal Area Network Point Coordinator Point Coordination Function Packet Error Rate Physical layer Physical Layer Convergence Protocol Physical Layer Management Entity Physical Layer Management Entity Service Access Point Physical Medium Dependent Piconet Coordinator Piconet Coordinator Identifier Piconet ID Power Save Receiver Address Reduced-Function Device Retransmission Interframe Space Request To Send Source Address Secure Frame Counter Short Interframe Spacing Superframe Order Source Identifier Service-Specific Convergence Sublayer Transmitter Address Transmission Control Protocol/Internet Protocol Target Identifier UDP WAN WEP WLAN WPAN User Datagram Protocol Wide Area Network Wired Equivalent Privacy Wireless LAN Wireless Personal Area Network 9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hinh 1.1: Vấn đề trạm ẩn ................................................................................. 16 Hình 1.2: Vấn đề trạm lộ .................................................................................. 17 Hình 2.1: Thành phần cơ bản của IEEE 802.11 ................................................ 20 Hình 2.2: Thành phần distribution system của IEEE 802.11 ............................. 20 Hình 2.3: Kiến trúc chung của IEEE 802.11 ..................................................... 21 Hình 2.4: Kiến trúc tầng MAC 802.11.............................................................. 21 Hình 2.5: Cấu trúc khung MAC ....................................................................... 22 Hình 2.6: Cấu trúc trường Frame Control ......................................................... 22 Hình 2.7: Bảng giá trị của trường Duration/ID ................................................. 23 Hình 2.8: Cấu trúc khung RTS ......................................................................... 24 Hình 2.9: Cấu trúc khung CTS ......................................................................... 25 Hình 2.10: Cấu trúc khung lệnh Power-Save Poll ............................................. 25 Hình 2.11: Cấu trúc khung CF-End. ................................................................. 26 Hình 2.12: Cấu trúc khung quản trị .................................................................. 27 Hình 2.13 : Giao thức CSMA/CA + ACK ........................................................ 30 Hình 2.14: Giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS ...................................... 31 Hình 2.15: RTS/CTS giải quyết vấn đề trạm ẩn................................................ 31 Hình 2.16: Các phân mảnh ............................................................................... 36 Hình 2.17: Truyền gói tin Beacon trong mạng .................................................. 38 Hình 2.18: Truyền gói tin Beacon trong mạng ad-hoc ...................................... 38 Hình 3.1: Ví dụ về Topo mạng hình sao và mạng ngang hàng .......................... 41 Hình 3.2: Kiến trúc của LR- WPAN ................................................................. 42 Hình 3.3: Giao tiếp giữa thiết bị và Coordinator trong chế độ có Beacon ......... 43 Hình 3.4: Giao tiếp giữa thiết bị và Coordinator trong chế độ không Beacon ... 43 Hình 3.5: Truyền dữ liệu từ Coordinator đến thiết bị trong chế độ có Beacon .. 44 Hình 3.6: Truyền dữ liệu từ Coordinator đến thiết bị trong chế độ không truyền Beacon ............................................................................................................. 44 Hình 3.7: Cấu trúc khung MAC của IEEE 802.15.4 ......................................... 45 Hình 3.8: Cấu trúc khung Beacon ..................................................................... 45 Hình 3.9: Cấu trúc khung dữ liệu ..................................................................... 46 Hình 3.10: Cấu trúc khung báo nhận ................................................................ 46 Hình 3.11: Cấu trúc khung lệnh MAC .............................................................. 46 Hình 3.12: Cấu trúc siêu khung ........................................................................ 48 Hình 3.13: Các khoảng IFS .............................................................................. 49 Hình 3.14: Thuật toán của slotted CSMA/CA và Unslotted CSMA/CA ........... 52 Hình 4.1: Ví dụ về mạng 802.15.3 .................................................................... 60 Hình 4.2: Cấu trúc tiêu đề và thân khung MAC ................................................ 61 Hình 4.3: Cấu trúc trường điều khiển khung ..................................................... 61 Hình 4.4: Cấu trúc trường điều khiển phân mảnh ............................................. 63 Hình 4.5: Cấu trúc khung beacon ..................................................................... 64 10 Hình 4.6: Bảng giá trị của Information Element ............................................... 64 Hình 4.7: Cấu trúc của Information Element .................................................... 65 Hình 4.8: Cấu trúc của trường con ―các biến đồng bộ piconet‖ ........................ 65 Hình 4.9: Cấu trúc của trường con Piconet Mode ............................................. 65 Hình 4.10: Cấu trúc khung Beacon có bảo mật ................................................. 66 Hình 4.11: Cấu trúc khung báo nhận tích lũy.................................................... 67 Hình 4.12: Cấu trúc khung lệnh không bảo mật ................................................ 67 Hình 4.13: Cấu trúc khung lệnh bảo mật .......................................................... 68 Hình 4.14: Cấu trúc khung dữ liệu không bảo mật ........................................... 68 Hình 4.15: Cấu trúc khung dữ liệu có bảo mật.................................................. 68 Hình 4.16: Cấu trúc siêu khung ........................................................................ 69 Hình 4.17: Quá trình quét kênh ........................................................................ 73 Hình 4.18: Quá trình bắt đầu Piconet ................................................................ 74 Hình 4.19: Kết thúc luồng ................................................................................ 77 Hình 4.20: Quá trình liên kết với PNC ............................................................. 79 Hình 4.21: Quá trình thiết bị khởi tạo phân tách ............................................... 80 Hình 4.22: Quá trình PNC khởi tạo phân tách .................................................. 80 Hình 5.1 Cấu trúc của NS-2.............................................................................. 86 Hình 5.2 Kiến trúc của NS-2 ............................................................................ 86 Hình 5.3: Thông lượng tích lũy tại node nhận trong trường hợp có và không sử dụng kỹ thuật RTS/CTS. .................................................................................. 92 Hình 5.4: Sự phụ thuộc của tỉ lệ phân phát gói tin vào tải ................................. 94 Hình 5.5: Chi phí của RTS/CTS của 802.11 ..................................................... 95 Hình 5.6: Sự phụ thuộc của độ trễ chặng trung bình vào tải.............................. 95 Hình 5.7: Sự phụ thuộc của thông lượng vào tải ............................................... 96 Hình 5.8: Sự phụ thuộc của độ trễ vào tải ......................................................... 97 11 MỞ ĐẦU 1. Mục đích và ý nghĩa của đề tài Mạng MANET (Mobile Ad-hoc Network) hay Mạng tùy biến di động, là hệ thống mạng tự cấu hình của các trạm di động sử dụng các kết nối không dây. Các trạm này có thể di chuyển ngẫu nhiên, do đó topo của mạng có thể thay đổi nhanh chóng và không dự đoán được. Nhiều giao thức đã được phát triển cho mạng không dây nói chung và cho MANET nói riêng, trong đó một số giao thức đã được chuẩn hoá, thí dụ: 802.11, 802.15.4 và 802.15.3; nhiều giao thức khác vẫn đang được nghiên cứu và đề xuất. Chính vì vậy, đánh giá hiệu suất của giao thức mạng là một vấn đề quan trọng và rất được quan tâm, giúp cho người nghiên cứu lựa chọn giao thức hiệu quả nhất theo các tiêu chí của mình. 2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết về giao thức tầng MAC theo các chuẩn IEEE 802.11, IEEE 802.15.3 và IEEE 802.15.4, so sánh hiệu suất của giao thức của các chuẩn trên. 3. Cấu trúc các chƣơng Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn này được bố cục như sau: Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Kiến trúc giao thức mạng theo chuẩn IEEE 802.11 Chương 3: Kiến trúc giao thức mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 Chương 4: Kiến trúc giao thức mạng theo chuẩn IEEE 802.15.3 Chương 5: Đánh giá hiệu suất các giao thức MAC 802.11, 802.15.4 và 802.15.3 12 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG Ngày nay, loài người đã tạo ra một lượng lớn về thông tin, do đó nhu cầu xử lý và vận chuyển thông tin ngày càng cao. Mạng máy tính hiện nay trở nên quá quen thuộc và phổ biến đối với chúng ta, trong mọi lĩnh của đời sống xã hội. Hiện nay ở nhiều nơi mạng đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu được. Việc kết nối các máy tính thành mạng để sử dụng đã cho chúng ta thấy những khả năng mới to lớn như: Sử dụng chung tài nguyên: Những tài nguyên của mạng khi trở thành các tài nguyên dùng chung thì mọi thành viên của mạng đều có thể tiếp cận được mà không cần quan tâm tới những tài nguyên đó ở đâu. Tăng độ tin cậy của hệ thống: Người ta có thể dễ dàng bảo trì máy móc và lưu trữ (backup) các dữ liệu chung và khi có trục trặc trong hệ thống thì chúng có thể được khôi phục nhanh chóng. Nâng cao chất lƣợng và hiệu quả khai thác thông tin: Khi thông tin có thể được sử dụng chung thì nó mang lại cho người sử dụng khả năng tổ chức lại các công việc, sử dụng và khai thác thông tin một cách hiệu quả. Một số mạng máy tính hiện nay: Mạng cục bộ: Một mạng cục bộ là sự kết nối một nhóm máy tính và các thiết bị kết nối mạng được lắp đặt trên một phạm vị địa lý giới hạn, thường trong một toà nhà hoặc một khu công sở nào đó [1]. Mạng này tốc độ truyền dữ liệu cao: 1Mbps – 100 Mbps. Các công nghệ mạng cục bộ tiêu chuẩn được sử dụng nhiều nhất là công nghệ mạng CSMA/CD và Token Ring. Mạng diện rộng: Mạng diện rộng bao giờ cũng là sự kết nối của các mạng LAN, mạng diện rộng có thể trải trên phạm vi một vùng, quốc gia hoặc cả một lục địa thậm chí trên phạm vi toàn cầu [1]. Mạng INTERNET: Tiền thân là mạng APARNET, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đã cho ra đời mạng INTERNET. Mạng này là sự kết hợp của vô số các hệ thống truyền thông, máy chủ cung cấp thông tin và dịch vụ, các máy trạm khai thác thông tin. Hiện nay việc làm sao có được một hệ thống mạng chạy thật tốt, an toàn, người sử dụng có thể kết nối mọi lúc mọi nơi kể cả khi di dộng đang rất được quan tâm. Ðể giải quyết một vấn đề phải dựa trên những yêu cầu đặt ra và dựa trên công nghệ để giải quyết. Công nghệ không dây đang là một giải pháp quan trọng nhất cho sự phát triển mạnh mẽ của mạng máy tính trong hiện tại và cả trong tương lai. 13 Sự ra đời của mạng không dây là một trong những bước tiến lớn nhất của ngành mạng máy tính. Lịch sử của các mạng không dây gắn liền với sự phát hiện của công nghệ sóng radio. Năm 1888, tại Hamburg, Đức, nhà vật lý học tên là Heinrich Rudolf Hertz đã phát hiện ra sóng radio đầu tiên. Đến 1894, sóng radio đã được sử dụng để truyền thông. Trong chiến tranh thế giới thứ 2, Mỹ đã lần đầu tiên sử dụng sóng radio để truyền dữ liệu. Đến năm 1971, một nhóm các nhà nghiên cứu dưới sự dẫn đầu của Norman Abramson, tại Đại học Hawaii, đã tạo ra mạng chuyển mạch gói sử dụng sóng radio đầu tiên có tên gọi là "Alohanet". Mạng này là mạng cục bộ không dây đầu tiên và được biết đến như mạng WLAN bây giờ. Các WLAN Alohanet đầu tiên chỉ bao gồm bảy máy tính truyền thông với nhau. Đến năm 1972, Alohanet kết nối được với hệ thống mạng WLAN ARPANET trên đất liền. Điều này đã phá vỡ khoảng cách trong việc truyền thông giữa các máy tính. Đến năm 1990, nhóm công tác 802.11 được thành lập để tiêu chuẩn hóa các giao thức truyền thông trong mạng WLAN. Năm 1997, IEEE 802.11 đã được chấp nhận là chuẩn cho truyền thông trong mạng cục bộ không dây. Công nghệ này tiếp tục được phát triển cho đến ngày hôm nay. Cùng với sự phát triển của mạng máy tính, các giao thức truyền thông trong mạng cũng phát triển theo. Đầu tiên là sự ra đời của giao thức ALOHA, tiếp đến là các giao thức cảm nhận sóng mang, cảm nhận sóng mang có dò xung đột, giao thức thẻ bài …Các giao thức này hoạt động khá hiệu quả trong mạng LAN có dây tuy nhiên chúng lại không thích hợp để sử dụng trong mạng không dây. Vì thế, cần phát triển những giao thức mới để đáp ứng nhu cầu truyền thông trong mạng không dây. 1.1. Mạng LAN không dây 1.1.1. Lịch sử của WLAN Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản xuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz. Những giải pháp này (không được thống nhất giữa các nhà sản xuất) cung cấp tốc độ truyền dữ liệu 1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng sử dụng cáp hiện thời. Năm 1992, những nhà sản xuất bắt đầu bán những sản phẩm WLAN sử dụng băng tần 2.4Ghz. Mặc dầu những sản phẩm này đã có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhưng chúng vẫn là những giải pháp riêng của mỗi nhà sản xuất không được công bố rộng rãi. Sự cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị ở những dãy tần số khác nhau dẫn đến một số tổ chức bắt đầu phát triển ra những chuẩn mạng không dây chung. 14 Năm 1997, viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đã phê chuẩn sự ra đời của chuẩn 802.11, và cũng được biết với tên gọi WIFI (Wireless Fidelity) cho các mạng WLAN. Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền tín hiệu, trong đó có bao gồm phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến ở tần số 2.4Ghz. Năm 1999, IEEE thông qua hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn 802.11a và 802.11b (định nghĩa những phương pháp truyền tín hiệu). Những thiết bị WLAN dựa trên chuẩn 802.11b đã nhanh chóng trở thành công nghệ không dây vượt trội. Các thiết bị WLAN 802.11b truyền phát ở tần số 2.4Ghz, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 11Mbps. IEEE 802.11b được tạo ra nhằm cung cấp những đặc điểm về tính hiệu dụng, thông lượng (throughput) và bảo mật tương đương với mạng có dây. Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cải tiến là chuẩn 802.11g, có thể truyền nhận thông tin ở cả hai dải tần 2.4Ghz và 5Ghz và có thể nâng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54Mbps. Thêm vào đó, những sản phẩm áp dụng 802.11g cũng có thể tương thích ngược với các thiết bị chuẩn 802.11b. Hiện nay chuẩn 802.11g đã đạt đến tốc độ 108Mbps-300Mbps. 1.1.2. Ưu, nhược điểm của WLAN a) Ƣu điểm: Sự tiện lợi: Mạng không dây cũng như hệ thống mạng thông thường. Nó cho phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kỳ nơi đâu trong khu vực được triển khai (nhà hay văn phòng). Với sự gia tăng số người sử dụng máy tính xách tay (laptop), đó là một điều rất thuận lợi. Khả năng di động: Với sự phát triển của các mạng không dây công cộng, người dùng có thể truy cập Internet ở bất cứ đâu. Hiệu quả trong việc chuyển vùng: Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi này đến nơi khác. Triển khai dễ dàng: Việc thiết lập hệ thống mạng không dây ban đầu chỉ cần ít nhất 1 access point. Với mạng có dây, phải tốn thêm chi phí và có thể gặp khó khăn trong việc triển khai hệ thống cáp ở nhiều nơi trong tòa nhà. Khả năng mở rộng cao: Mạng không dây có thể đáp ứng nhanh chóng yêu cầu kết nối mạng khi số lượng người dùng tăng lên. Với hệ thống mạng dùng cáp cần phải chạy thêm các đường cáp. Sử dụng được trong những vùng đặc biệt: Trong những vùng mà không thể triển khai cáp (Vùng ảnh hưởng của nơi nhiễm độc, hạt nhân,…) thì việc lựa chọn triển khai mạng không dây là hợp lý. b) Nhƣợc điểm: 15 -Tính bảo mật của hệ thống chưa cao: Môi trường kết nối không dây là không khí nên khả năng bị tấn công của người dùng là rất cao. - Phạm vi hoạt động giới hạn: Một mạng chuẩn 802.11 với các thiết bị chuẩn chỉ có thể hoạt động tốt trong phạm vi giới hạn, khoảng 50m trong điều kiện thực tế. Ngoài vùng phủ sóng cần lắp đặt thêm Repeater hay access point, dẫn đến chi phí gia tăng. Độ tin cậy chưa cao: Vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông nên việc bị nhiễu, tín hiệu bị giảm do tác động của các thiết bị khác( lò vi sóng,….) là không tránh khỏi. Làm giảm đáng kể hiệu quả hoạt động của mạng. 1.1.3. Một số ứng dụng của WLAN Giải pháp cho văn phòng di động: Với sự xuất hiện và phát triển của công nghệ mạng không dây, các văn phòng làm việc đã thực sự trở thành 1 văn phòng mở. Các kết nối mạng người dùng được duy trì một cách dễ dàng, liên tục mà không phụ thuộc vào sự thay đổi vị trí làm việc hay sự bổ sung các điểm kết nối mới. Giải pháp này không chỉ đơn thuần là tăng khả năng trao đổi thông tin ở trong văn phòng mà còn giúp người sử dụng nâng cao năng lực làm việc và hiệu quả kinh doanh. Giải pháp liên kết các mạng (Building-to-Building): Đối với nhiều tổ chức và doanh nghiệp lớn, ngoài văn phòng chính còn có rất nhiều các văn phòng chi nhánh, nhu cầu liên kết các hệ thống mạng thành viên với hệ thống mạng trung tâm được xem như 1 điều kiện tiên quyết cho việc đồng bộ hoá phương thức quản lý và các trao đổi thông tin, dữ liệu hoạt động. Giải pháp kết nối không dây hiện nay đang được xem là giải pháp hợp lý nhất và kinh tế nhất cho các doanh nghiệp lớn, các khu công nghiệp trong việc liên kết các mạng thông tin. Với những ưu điểm vượt trội như kết nối mọi lúc, mọi nơi, khả năng đi động cao, trong tương lại mạng không dây sẽ đáp ứng tối đa những nhu cầu cần thiết của con người trong công việc và giải trí. 1.1.4. Nguyên nhân chính không sử dụng được giao thức CSMA/CD trong WLAN Các giao thức được sử dụng trong mạng có dây như CSMA, CSMA/CD… khá hiệu quả nhưng đối với mạng không dây các giao thức này không được sử dụng bởi các lý do chính: - Cài đặt kỹ thuật phát hiện lỗi đòi hỏi sử dụng các thiết bị truyền radio song công (full duplex radio) và phải có khả năng truyền, nhận đồng thời. Điều này có thể làm tăng đáng kể chi phí cài đặt mạng. - Đối với môi trường mạng không dây chúng ta không thể đảm bảo rằng tất cả các trạm đều nghe môi trường truyền (điều cơ bản của việc phát hiện lỗi) và 16 thực tế là mỗi trạm khi muốn truyền và cảm nhận được môi trường truyền rỗi không có nghĩa là môi trường truyền thực sự rỗi xung quanh vùng nhận dữ liệu. - Năng lượng tín hiệu phát có khả năng lấn át năng lượng tín hiệu thu được nên không thể phát hiện xung đột trong khi đang phát và do đó không thể huỷ bỏ gói tin đang truyền đã bị xung đột. - Có thể nhiễu giữa các trạm trong các mạng WLAN khác nhau nếu WLAN cùng sử dụng CSMA/CD - Trong WLAN có một số vấn đề như trạm ẩn (Hidden-station), trạm lộ (Exposed Station) nếu sử dụng kỹ thuật CSMA/CD thì không giải quyết được những vấn đề này. + Vấn đề trạm ẩn: Đây là hiện tượng xảy ra khi hai terminal A và C cùng muốn gửi frame đến một terminal B khác, nhưng do nằm ngoài vùng phủ sóng của nhau nên A và C không nhận thấy nhau. Cả hai đều cho rằng đường truyền đang rỗi và gửi frame đến B dẫn đến tại B có xung đột xảy ra do có 2 trạm cùng gửi frame đến một lúc. A là ẩn đối (hidden) với C và ngược lại A B C Hinh 1.1: Vấn đề trạm ẩn + Vấn đề trạm lộ: Đây là hiện tượng một terminal nhầm tưởng đường truyền bận và tạm ngừng việc truyền tin dù cho điều này là không cần thiết. Chẳng hạn, trạm B gửi tin cho trạm A và trạm C muốn truyền tin tới một trạm khác nằm ngoài vùng phủ sóng của A và B là D. Do C nằm trong vùng phủ sóng của B nên C cho rằng đường truyền đang bận và không gửi tin tới D. Nhưng điều này là không cần thiết vì đường truyền còn rỗi đối với D do D nằm ngoài vùng phủ sóng của A và B. C là trạm bị ―lộ‖ đối với B 17 Hình 1.2: Vấn đề trạm lộ 1.2. Một số mạng không dây khác 1.2.1. Mạng không dây 802.15.4 Mạng không dây 802.15.4 hay là LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Networks ) là một mạng giao tiếp với chi phí thấp, cho phép thực hiện các kết nối không dây, thực hiện các ứng dụng giới hạn về năng lượng và các ứng dụng yêu cầu thông lượng thấp. Ưu điểm chính của LR-WPAN là dễ cài đặt, truyền dữ liệu tin cậy, hoạt động trong vùng nhỏ, chi phí thấp, kéo dài thời gian sử dụng nguồn năng lượng (thường là pin hoặc ắc-qui). Các thiết bị trong mạng chủ yếu hoạt động trong topo hình sao hoặc ngang hàng với tốc độ truyền dữ liệu là 250kb/s, 40kb/s và 20kb/s. Để truy cập kênh truyền các thiết bị sử dụng kỹ thuật CSMA/CA. Mạng sử dụng 16 kênh trong dải 2450MHz, 10 kênh trong dải 915 MHz, 1 kênh trong dải 868 MHz. 1.2.2. Mạng không dây 802.15.3 Chuẩn IEEE 802.15.3 (HR-WPAN) là một chuẩn mới cho mạng cá nhân không dây có tốc độ truyền dữ liệu cao, tiêu thụ năng lượng thấp, dễ cấu hình, dễ sử dụng. Một điều quan trọng đối với chuẩn IEEE 802.15.3 đó là hệ thống hoạt động được và tương thích với các mạng không dây hiện tại, ví dụ như IEEE 802.11 WLAN và các mạng WPANs khác.…Mạng không dây 802.15.3 sử dụng cấu trúc siêu khung để truy cập kênh truyền cùng với kỹ thuật CSMA/CA, các thiết bị hoạt động trong mạng ngang hàng. Đối với chuẩn 802.15.3 yêu cầu thiết kế các kiến trúc giao thức nhằm đạt được các yếu tố như: Tối ưu hóa điện năng tiêu thụ và đảm bảo chất lượng dịch vụ. Tốc độ truyền dữ liệu của mạng không dây 802.15.3 là 11, 22, 33, 44 hoặc 55 Mbps và sử dụng 4 kênh truyền hoạt động trong giải 2.4GHz. 1.3. Các vấn đề mà luận văn tập trung nghiên cứu và giải quyết - Nghiên cứu sâu về kiến trúc giao thức mạng WLAN theo chuẩn 802.11 và các mạng LAN không dây theo chuẩn 802.15.4 và 802.15.3. 18 - So sánh các đặc điểm khác nhau chủ yếu của các kiến trúc giao thức 802.11, 802.15.4 và 802.15.3: Kỹ thuật truy cập kênh truyền, các yếu tố vật lý sử dụng cho từng chuẩn, ... - Nghiên cứu bằng mô phỏng để có được các kết quả định lượng, nhằm đưa ra được các kết luận và khuyến nghị có tính khoa học, định lượng. Trong luận văn thực hiện mô phỏng và đưa ra một số độ đo như sau: - Tỉ lệ phân phát gói tin: Là tỉ số giữa tổng các gói tin nhận thành công trên tổng số gói tin gửi đi trong lớp con MAC. - Chi phí RTS/CTS: Là tỉ lệ của tổng số các gói RTS và CTS trên tổng số gói tin gửi đi. - Độ trễ chặng trung bình: là giá trị trung bình của thời gian truyền 1 gói tin qua một chặng. - Thông lượng chuẩn hóa: Thông lượng trung bình (Mbps) = (Kích thước gói tin * Số gói tin) / Thời gian mô phỏng (Mbps) Khi đó: Thông lượng chuẩn hóa = Thông lượng trung bình / Thông lượng danh định (link capacity) - Độ trễ: Độ trễ trung của các gói tin trong một kết nối truyền thông = Tổng (Thời gian nhận gói tin – thời gian gửi gói tin) / Số gói tin. 19 CHƢƠNG 2: KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG THEO CHUẨN IEEE 802.11 IEEE 802.11 là chuẩn được phát triển để đặc tả tầng MAC và tầng vật lý cho các kết nối không dây đối với các trạm cố định, di động hay các thiết bị cầm tay hoạt động trong mạng LAN. Các mạng LAN không dây theo chuẩn 802.11 sử dụng mô hình hoạt động dưới đây: • Mô hình mạng có cơ sở hạ tầng: là mạng không dây dựa trên cơ sở hạ tầng mạng có dây, trong đó việc truyền thông chủ yếu được thực hiện giữa các node không dây và điểm truy cập chung AP (Access Point). • Mô hình mạng ad hoc: Ad-hoc network là mạng không dây trong đó không cần cơ sở hạ tầng: mỗi node đều có chức năng của một router, chúng có thể liên lạc trực tiếp hoặc thông qua các node trung gian với các node khác trong mạng mà không cần dựa trên điểm truy cập chung để điều khiển truy cập đường truyền. Chuẩn IEEE 802.11 hỗ trợ ba loại tầng vật lý khác nhau: một loại sử dụng công nghệ hồng ngoại và hai loại kia sử dụng công nghệ sóng radio. Cả ba loại này đều cung cấp tốc độ truyền dữ liệu từ 1 – 2Mbps. Công nghệ sóng radio sử dụng 2 kỹ thuật trải phổ: Kĩ thuật trải phổ nhảy tần FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) và Kĩ thuật trải phổ thành dãy trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) trong giải tần 2.4 GHz. Mạng 802.11 sử dụng kỹ thuật CSMA/CA để truy cập kênh truyền theo cơ chế DCF và kỹ thuật hỏi vòng theo cơ chế PCF. 2.1 Kiến trúc giao thức mạng IEEE 802.11 2.1.1. Các thành phần kiến trúc của IEEE 802.11 Kiến trúc 802.11 bao gồm các thành phần riêng, tương tác với nhau để tạo thành một mạng LAN không dây, hỗ trợ các trạm một cách linh hoạt và trong suốt đối với các lớp trên. Mạng LAN 802.11 dựa trên kiến trúc của mạng tế bào, ở đây hệ thống được chia nhỏ thành các cell, mỗi cell như vậy được gọi là Basic Service Set (BSS) và nó được điều khiển bởi một trạm cơ sở gọi là Access Point (AP). Ngoài BSS thông thuờng, 802.11 LAN có một thành phấn BSS đặc biệt. Đó là IBSS (independent BSS). IBSS là những BSS bao gồm chỉ có 2 trạm, ở đây các trạm có thể truyền thông trực tiếp với nhau. 20 Hình 2.1: Thành phần cơ bản của IEEE 802.11 Một trạm trong BSS có thể bật, tắt, đi ra ngoài hay là đi vào trong BSS khác. Do vậy, trong 802.11 việc sát nhập một trạm với một BSS có tính động. Hình 2.2: Thành phần distribution system của IEEE 802.11 Để các BSS có thể kết nối được với nhau, Các AP (Access Point) của các BSS này sẽ được nối với nhau thông qua một đường trục được gọi là distribution system (DS). Dữ liệu di chuyển giữa BSS và DS phải qua AP. Các AP cũng là các trạm vì vậy chúng là một thực thể có địa chỉ, địa chỉ của AP sử dụng để truyền thông trên môi trường không dây không nhất thiết phải giống với địa chỉ truyền thông trên môi trường của DS. DS và các BSS cho phép tạo ra một mạng không dây với kích thước tùy ý và phức tạp. Trong IEEE 802.11, mạng này được gọi là mạng extended service set Trong chuẩn 802.11, định nghĩa thêm một khái niệm đó là Portal, một Portal là một thiết bị kết nối giữa mạng LAN 802.11 và 802 LAN khác. Nhờ có Portal chúng ta có thể hợp nhất mạng LAN không theo chuẩn IEEE 802.11 vào DS của IEEE 802.11. Tất cả dữ liệu từ LAN khác đi vào mạng theo kiến trúc 21 802.11 đều phải qua Portal. Hiện nay có những thiết bị có thể cung cấp cả 2 chức năng vừa là AP vừa là Portal. Hình 2.3: Kiến trúc chung của IEEE 802.11 2.1.2 Kiến trúc tầng MAC IEEE 802.11 MAC được chia làm hai lớp con: Lớp chức năng cộng tác phân tán – DCF (Distributed coordination function) và lớp chức năng công tác điểm – PCF (Point coordination function). DCF sử dụng các thuật toán cạnh tranh để truy cập môi trường, còn PCF sử dụng thuật toán truy cập môi trường truyền tập trung để cung cấp các dịch vụ không cạnh tranh. Hình 2.4: Kiến trúc tầng MAC 802.11 2.1.3. Cấu trúc khung Mỗi một khung MAC bao gồm các thành phần cơ bản sau đây: - Header: bao gồm các trường Frame Control, Duration/ID, các trường Address, Sequence Control.