Đánh giá hiệu năng mạng không dây theo chuẩn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ






ĐINH ANH TUẤN




Đ
Đ
Á
Á
N
N
H
H


G
G
I
I
Á

Á


H
H
I
I
Ệ
Ệ
U
U


N
N
Ă
Ă
N
N
G
G


M
M
Ạ
Ạ
N
N
G

G


K
K
H
H
Ô
Ô
N
N
G
G


D
D
Â
Â
Y
Y


T
T
H
H
E
E
O

O


C
C
H
H
U
U
Ẩ
Ẩ
N
N


8
8
0
0
2
2
.
.
1
1
5
5
.
.
3

3







LUẬN VĂN THẠC SỸ

















Hà Nội – 2009

MỤC LỤC
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 6
MỞ ĐẦU 11
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG INTERNET VÀ MẠNG KHÔNG DÂY 12
1.1. Sự ra đời của mạng máy tính và mạng Internet 12
1.2. Mô hình quy chiếu OSI và Mô hình TCP/IP 13
1.3. Mạng LAN và mạng LAN không dây (WLAN) 17
1.3.1. Mạng cục bộ - LAN 17
1.3.2. Mạng LAN không dây -WLAN 18
1.3.3 Các loại mạng không dây và một số chuẩn an ninh 19
1.3.4. Các mô hình WLAN 25
1.3.5. Ưu điểm của mạng WLAN so với mạng LA N: 27
1.3.6. Nhược điểm của WLAN so với mạng LAN: 28
1.4. Xu hướng phát triển Internet và mục tiêu nghiên cứu của luận văn 28
CHƢƠNG 2: CÁC CHUẨN VỀ CÁC MẠNG LAN CƠ BẢN 30
2.1. Chuẩn về mạng LAN có dây 802.3 30
2.1.1 Giao thức CSMA/CD 30
2.1.2 Chuẩn 802.3 cho mạng LAN có dây 30
2.2. Chuẩn về mạng LAN không dây 802.11 31
2.3. Chuẩn không dây IEEE 802.15.4 36
2.3.1 Phương thức kết nối của chuẩn 802.15.4 36
2.3.2 Giao thức và các kiểu xác thực 37

2.3.3 An ninh 38
CHƢƠNG 3: MẠNG THEO CHUẨN 802.15.3 39
3.1 Giới thiệu chuẩn 802.15.3 39
3.1.1. Sự ra đời của chuẩn 802.15.3 39
3.1.2. Kiến trúc giao thức 43
3.1.3 Các thành phần của mạng 45
3.2 Chức năng của các tầng của chuẩn 802.15.3 45
3.2.1. Tầng vật lý 46
3.2.2 Tầng điều khiển truy nhập MAC 54
3.3. Piconet trong chuẩn 802.15.3 68
3.4 Tổ chức kênh 70
3.5. Phương thư
́
c lư
̣
a cho
̣
n tra
̣
m điều khiê
̉
n trong Piconet 72
3.5.1. Mô tả phương thức lựa chọn trạm điều khiển trong Piconet 72
3.5.2 Cách chọn trạm điều khiển có bình phương khoảng cách nhỏ nhất 74
3.6 So sánh mạng theo chuẩn 802.15.3 với 802.11 và 802.15.4 78
3.6.1 Các đặc điểm giống với 802.11 và 802.15.4 79
3.6.2 Các đặc điểm khác với 802.11 và 802.15.4 80
CHƢƠNG 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CỦA MẠNG 802.15.3 82
4.1. Bộ mô phỏng mạng NS-2 82
4.1.1 Kiến trúc của NS-2 83

4.1.2 Môi trường mô phỏng 85
4.1.3 Kịch bản mô phỏng 86
4.1.4 Tệp dấu vết (Trace files) 87



4.2. Triển khai mô phỏng và các kết quả 87
4.2.1 Mục đích mô phỏng 87
4.2.2 Mô hình và các thông số mô phỏng 88
4.2.3 Thiết lập mô phỏng 90
KẾT LUẬN 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO 107
A - Tài liệu tiếng Việt 107
B - Tài liệu tiếng Anh 107




DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
ACK
Acknowledgement
ACL
Access control list
ADC
Analogue-to-Digital Converter
AGC
Automatic Gain Control
AP
Access Point
API

Application Programming Interface
AV
Audio-Video
BP
Beacon Period
BPSK
Binary Phase-Shift Keying
BSS
Basic Service Set
CAP
Contention Access Period
CBR
Constant Bit Rate
CBS
Constant Bandwitdh Server
CMOS
Complementary Metal-Oxide Semiconductor
CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
CSMA-CA
Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance
Avoidance
CTA
Channel Time Allocation
CTAP
Channel Time Allocation Period
CTS
Clear to send
DEV
Devices

DRP
Distributed Reservation Protocol
DRR
Distance Report Request
DSN
Data Sequence Number
DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum
DS-UWB
Direct Sequence UWB
ECMA
European association for standardizing information and
communication systems
ED
Energy Detection
ESS
Extended Service Set
FCC
Federal Communication Commission
FEQ
Frequency Domain Equalizer
FFD
Full-Function Device
FFI
Fixed-Frequency Interleaving
FFT
Fast Fourier Transform

FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum
FWA
Fixed Wireless Access
GTS
Guaranteed Time Slot
HDR
High Dynamic Range
HR-WPAN
High Rate-Wireless Personal Area Network
IBSS
Independent Basic Service Set
IE
Information Exchange
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP
Internet Protocol
IRSA
Intelligent Reactive Scheduling Architecture
ITU
International Telecommunications Union
LAN
Location Area Network
LLC
Logical Link Control
LNA
Low-Noise Amplifier
LQI
Link Quality Interface

LR-WPAN
Low Rate-Wireless Personal Area Network
MAC
Medium Access Control
MBOA
Multiband OFDM Alliance
MBOFD
Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing
MMC
Microscheduled Management Command
NAV
Network Allocation Vector
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
O-QPSK
Offset Quadrature Phase Shift Keying
OSI
Open System Interconnection
Otcl
Object Tool Command Language
PAL
Programming Application Layer
PAL
Protocol Adaptation Layer
PAN
Personal Area Network
PC
Personal Computer
PCA
Prioritized Contention Access

PHY
Physical Layer
PNC
Piconet coordinator
PPM
Pulse Positioning Modulation
PSC
PBC Selection Counter
PSF
Pre-Select Filter



PSR
PNC selection request
P2P
Peer-to-Peer
QoS
Quality of Service
RF
Radio Frequency
RFD
Reduced Function Device
RTS
Request to send
SAP
Service Access Point
SIG
Special Interest Group
SNR

Signal to Noise Ratio
SRPT
Shortest Remaining Processing Time
SSID
Service Set ID
TCP
Transmission Control Protocol

TDMA
Time Division Multi Access
TFC
Time-Frequency Code
TFI
Time–Frequency Interleaving
TKIP
Temporal Key Integrity Protocol encryption
TTL
Time-To-Live
UDP
User Datagram Protocol
UITS
University Information Technology Services
USB
Universal Serial Bus
UTP
Unshielded Twisted Pair
UWB
Ultra Wide Band
VLC
Visible Light Communications

WAN
Wide Area Network
WEP
Wired Equivalent Privacy
WIFI
Wireless Fidelity
WLAN
Wireless Local Area Network
WPA
Wi-Fi Protected Access
WPA2
Wi-Fi Protected Access 2
WPAN
Wireless Personal Area Network
WRR
Weighted Round Robin
WUSB
Wireless USB
WWAN
Wireless WAN





DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1: Mô hình quy chiếu OSI và mô hình TCPIP 14
Hình 2: Kiến trúc mạng LAN 16
Hình 3: Peer-to-Peer or ad-hoc wireless LAN 25
Hình 4: Mô hình mạng IBSS và BSS 26

Hình 5: Mô hình mạng ESS 27
Hình 6: Hiện tƣợng Hidden Terminal trong WLAN 32
Hình 7: Hiện tƣợng Exposed Terminal trong WLAN 33
Hình 8 – kết nối hình sao và ngang hàng 37
Hình 9– Kết hợp giữa kết nối ngang hàng và kết nối hình sao 37
Hình 10 : Kết nối các thiết bị trong gia đình bằng WUSB 40
Hình 11: Tốc độ truyền dữ liệu và phạm vi không gian sử dụng 41
Hình 12– FCC mask for indoor communications 42
Hình 13: Mô hình OSI và IEEE 802.15 43
Hình 14 - Kiến trúc của IEEE 802.15.3 44
Hình 15: Phƣơng thức kết nối 45
Hình 16: Nền tảng sóng vô tuyến WiMedia 46
Hình 17: Phân chia phổ tần UWB trong các băng thông và nhóm băng thông 47
Hình 18 - Dải phổ của tầng vật lý theo đề xuất của MB-OFDM 48
Bảng 19 – Thông số của MB – OFDM 48
Hình 20: Sơ đồ khối MB-OFDM 48
Hình 21: Băng thông hẹp - NB, băng thông rộng - SS và cực rộng - UWB 49
Hình 22: UWB xem xét ở dạng 1 band và nhiều band 51
Hình 23: Bảng ký hiệu Time-frequency cho hệ thống multi-band OFDM 52
Hình 24: Khoảng đặt time-frenquency và fixed-frenquency 53
Hình 25: Tầng MAC điều khiển dòng dữ liệu truyền vào môi trƣờng không khí và thực hiện
các quy tắc công bằng để điều chỉnh giữa các giao thức tranh chấp sử dụng đƣờng truyền
không dây 54
Hình 26: Cấu trúc Superframe của WiMedia MAC 58
Hình 27: Các giao thức sử dụng sóng Vô tuyến điện UWB 65
Hình 28_b: Trao đổi dữ liệu và bản tin giữa trạm điều khiển và trạm làm việc 69
Hình 29 – Truyền thông giữa 2 Piconet 70
Hình 30 - Kiến trúc của siêu khung IEEE 802.15.3 71
Hình 31: Thủ tục truyền (PNC truyền dữ liệu tới DEV) 71
Hình 32 – Không gian Piconet trong mạng WPAN 72

Hình 33 - Thủ tục lựa chọn PNC 77
Hình 34: Tổ chức mạng không dây của chuẩn 802 78
Hình 35 Sƣ
̣
tƣơng đô
̀
ng giƣ
̃
a C++ và OTcl 84
Hình 36 Tổng quan về NS từ góc nhìn của ngƣời sử dụng 84
Hình 37: Mô hình mạng của chuẩn 802.15.3 88
Hình 38: Mô hình hàng đợi 89
Hình 39: Kết quả mô phỏng cơ chế hàng đợi WRR 93



Hình 40: Kết quả mô phỏng cơ chế hàng đợi SRPT 95
Hình 41: Kết quả mô phỏng cơ chế hàng đợi CBS 97
Hình 42: Kết quả mô phỏng cơ chế hàng đợi IRSA 99
Hình 43: Kết quả tổng hợp so sánh các cơ chế hàng đợi 100
Hình 44: Kết quả tổng hợp so sánh 4 flow 102
Hình 45: Kết quả tổng hợp so sánh 3 chuẩn không dây 104

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, truyền thông không dây đã có những quá trình phát
triển vượt bậc đặc biệt là mạng không dây. Mạng không dây được phát triển mạnh
mẽ do quá trình trao đổi dữ liệu gia tăng mãnh liệt ở môi trường không dây.
Chuẩn mạng không dây 802.15.3 ra đời bởi sự mong mỏi của đại đa số người
sử dụng – cá nhân, gia đình đó là giá thành thấp, các thiết bị sử dụng các công nghệ
không dây được chuẩn hoá mang tính cộng đồng. Mạng cá nhân sử dụng công nghệ
không dây “wireless personal area networks (WPAN)”. 802.15.3 là chuẩn cho các
mạng LAN không dây (WLAN) nhằm cho đối tượng là người sử dụng trong gia
đình, nhằm đạt được việc kết nối có giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng, dải thông
lớn, tốc độ cao, có thể tới 480 Mbps trong cự ly 3m. Mạng LAN theo chuẩn không
dây 802.15.3 giúp chúng ta có thể kết nối mọi nơi trong khu vực được triển khai
(nhà hay văn phòng) vì chuẩn 802.15.3 được xây dựng cho các thiết bị USB không
dây, các thiết bị có tính chất di động (như máy chiếu, camera, ) nên rất thuận tiện
trong việc di chuyển. Mạng LAN theo chuẩn không dây 802.15.3 giúp chúng ta kết
nối bất kỳ khi nào và trong tương lai nó là yếu tố hình thành “ngôi nhà thông minh”
vì các thiết bị gia đình có thể tích hợp chuẩn không dây 802.15.3 dễ dàng. Các
mạng LAN theo chuẩn 802.15.3 rất có triển vọng trong tương lai gần. Đó là lý do
thúc đẩy tôi chọn đề tài nghiên cứu này.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn này được bố cục như sau:
Chương 1: Tổng quan về mạng Internet và mạng không dây.
Chương 2: Các chuẩn về mạng LAN cơ bản.
Chương 3: Mạng theo Chuẩn 802.15.3
Chương 4: Đánh giá hiệu suất của mạng 802.15.3 bằng mô phỏng.
12

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG INTERNET VÀ MẠNG
KHÔNG DÂY
1.1 Sự ra đời của mạng máy tính và mạng Internet
Những tiến bộ nhanh chóng của công nghiệp điện tử và vi điện tử dẫn
đến sự ra đời và phát triển của máy tính điện tử. Các thế hệ máy tính liên tục

phát triển và khẳng định được vị trí của mình trong hầu hết các lĩnh vực kinh
tế, văn hóa và xã hội. Các dịch vụ trên máy tính phát triển rất nhanh trên
nhiều lĩnh vực, nên nhu cầu trao đổi thông tin, chia sẻ tài nguyên giữa các
máy tính cũng trở nên hết sức cấp thiết. Chính nhu cầu này đã thúc đẩy các
nhà nghiên cứu xây dựng nên một công cụ nhằm trợ giúp con người trao đổi,
khai thác thông tin một cách nhanh chóng, chính xác và hiệu quả - đó là mạng
máy tính.
Tiền thân của mạng Internet ngày nay là mạng máy tính ARPANET. Cơ
quan quản lý các dự án nghiên cứu cấp cao ARPA thuộc bộ quốc phòng Mỹ
liên kết 4 địa điểm đầu tiên vào tháng 7 năm 1969 bao gồm: Viện nghiên cứu
Stanford, Đại học California, Los Angeles, Đại học Utah và Đại học
California, Santa Barbara. Đó chính là mạng liên khu vực (Wide Area
Network - WAN) đầu tiên được xây dựng.
Thuật ngữ "Internet" xuất hiện lần đầu vào khoảng năm 1974. Lúc đó
mạng vẫn được gọi là ARPANET. Năm 1983, giao thức TCP/IP chính thức
được coi như một chuẩn đối với ngành quân sự Mỹ và tất cả các máy tính nối
với ARPANET phải sử dụng chuẩn mới này. Năm 1984, ARPANET được
chia ra thành hai phần: phần thứ nhất vẫn được gọi là ARPANET, dành cho
việc nghiên cứu và phát triển; phần thứ hai được gọi là MILNET, là mạng
dùng cho các mục đích quân sự.
Mốc lịch sử quan trọng của Internet được xác lập vào giữa thập niên
1980 khi tổ chức khoa học quốc gia Mỹ NSF thành lập mạng liên kết các
trung tâm máy tính lớn với nhau gọi là NSFNET. Nhiều doanh nghiệp đã
13

chuyển từ ARPANET sang NSFNET và do đó sau gần 20 năm hoạt động,
ARPANET không còn hiệu quả đã ngừng hoạt động vào khoảng năm 1990.
Ngày nay, với hơn 1.5 tỷ người sử dụng trên toàn thế giới, mạng Internet
hiện nay là 1 thành công lớn về kết nối mọi người và cộng đồng.
Trong Internet giao thức được sử dụng là IP (Internet Protocol). IP là một

giao thức sử dụng Datagram để thực hiện trong chuyển mạch gói (packet-
switch network). Sử dụng truyền Datagram, mỗi gói được coi như một thực
thể riêng biệt và có tiêu đề với đầy đủ thông tin về nơi gửi và nơi nhận. Một
mạng lưới Datagram gửi đi một thông điệp tương tự như một loạt các bưu
thiếp được gửi đi thông qua hệ thống bưu điện. Mỗi bưu thiếp được gửi đến
đích theo cách độc lập. Để nhận được thông báo toàn bộ, người nhận phải thu
thập toàn bộ các bưu thiếp và sắp xếp chúng lại theo thứ tự của bản gốc.
Trong mạng sử dụng gói Datagram là không tin cậy vì nó không có kiểm
soát các vấn đề như bên nhận đã nhận đủ chưa, có trùng lặp không, đúng thứ
tự không …. Do đó, các ứng dụng không cần độ tin cậy cao mới sử dụng giao
thức UDP, ví dụ như Video trên Internet, bài hát trên Internet vv… Hầu hết
các ứng dụng trên Internet đều bổ sung thêm chức năng để tăng độ tin cậy. Ví
dụ như gửi email, duyệt WEB hoặc truyền file bằng giao thức FTP. Độ tin cậy
được nhắc đến đó là đảm bảo cho bên nhận sẽ nhận đủ các gói tin, không
trùng lặp và đúng thứ tự. Chức năng bổ sung hay được nhắc đến đó là giao
thức TCP. Trong giao thức TCP sử dụng thuật ngữ segment để chỉ đơn vị dữ
liệu của giao thức, các segment được đánh số thứ tự để bên nhận có thể ghép
dữ liệu lại một cách chính xác.
Mục tiếp theo chúng ta sẽ đề cập chi tiết mô hình TCP/IP và so sánh với mô
hình OSI để hiểu rõ hơn về TCP/IP được chọn làm chuẩn giao tiếp trong
Internet.
1.2. Mô hình quy chiếu OSI và Mô hình TCP/IP
Chúng ta biết rằng việc thông qua mô hình TCP/IP không xung đột với
mô hình quy chiếu OSI. Trong một số cách thức, mô hình TCP/IP đã đóng
14

góp cho mô hình OSI và ngược lại. Một số khác biệt quan trọng của mô hình
TCP/IP so với mô hình OSI đó là:
• Một tập phổ biến các ứng dụng.
• Định tuyến động.

• Kết nối toàn cầu (universal).
• Chuyển mạch gói.
Sự khác biệt chính giữa OSI và TCP/IP liên quan đến tầng giao vận
(Transport layer) và tầng mạng (Network layer). Trong khi, mô hình OSI có 2
tầng là tầng phiên (Session) và tầng Thể hiện (Presentation) thì TCIP/IP kết
hợp chúng vào tầng ứng dụng (Application). Yêu cầu cho việc kết nối cũng
đòi hỏi TCP/IP kết hợp cả 2 tầng liên kết dữ liệu (Datalink) và tầng vật lý
(Physical) thành tầng truy nhập mạng (Network Access). Dưới đây, là hình
ảnh so sánh 2 mô hình OSI và TCP/IP:

Hình 1: Mô hình quy chiếu OSI và mô hình TCPIP
TCP/IP có cấu trúc tương tự như mô hình OSI, tuy nhiên để đảm bảo tính
tương thích giữa các mạng và sự tin cậy của việc truyền thông tin trên mạng,
bộ giao thức TCP/IP được chia thành 2 phần riêng biệt: giao thức IP sử dụng
cho việc kết nối mạng và giao thức TCP để đảm bảo việc truyền dữ liệu một
cách tin cậy.
15

Tầng ứng dụng: Tại mức cao nhất này, người sử dụng thực hiện các chương
trình ứng dụng truy cập đến các dịch vụ hiện hữu trên Internet. Tầng ứng
dụng tương tác với một trong những giao thức ở tầng giao vận để gửi hoặc
nhận dữ liệu. Mỗi chương trình ứng dụng chọn một kiểu giao thức giao vận
mà nó cần, có thể là một dãy tuần tự từng thông điệp (nếu sử dụng UDP) hoặc
một chuỗi các byte liên tục (nếu sử dụng TCP). Chương trình ứng dụng sẽ gửi
dữ liệu đi dưới dạng nào đó mà nó yêu cầu đến tầng giao vận.
Tầng giao vận: Nhiệm vụ cơ bản của tầng giao vận là cung cấp phương tiện
liên lạc từ một chương trình ứng dụng chạy trên máy tính này đến một
chương trình ứng dụng chạy trên một máy tính khác. Việc thông tin liên lạc
đó thường được gọi là truyền thông end-to-end. Tầng giao vận có thể điều
khiển luồng thông tin. Nó cũng có thể cung cấp sự giao vận có độ tin cậy, bảo

đảm dữ liệu đến nơi mà không có lỗi và theo đúng thứ tự. Để làm được điều
đó, tầng giao vận cung cấp giao thức TCP, trong quá trình trao đổi thông tin
nơi nhận sẽ gửi ngược trở lại một gói tin xác nhận (ACK) và nơi gửi sẽ truyền
lại những gói dữ liệu bị mất (không được xác nhận). Tuy nhiên trong những
môi trường truyền dẫn tốt như cáp quang chẳng hạn thì việc xảy ra lỗi là rất
nhỏ. Tầng giao vận có cung cấp một giao thức khác đó là UDP.
Tầng Internet: Nhiệm vụ cơ bản của tầng này là xử lý việc liên lạc của các
thiết bị trên mạng. Nó nhận yêu cầu từ tầng giao vận cùng với định danh của
máy mà gói dữ liệu phải gửi đến. Nó sử dụng các giao thức định tuyến để
chuyển gói tin đến đích của nó hoặc trạm kế tiếp. Đối với những packet được
router xác định máy gửi và máy nhận thuộc cùng mạng cục bộ, phần mềm
Internet sẽ cắt bỏ phần đầu của packet, và chọn một trong các giao thức tầng
chuyên trở thích hợp để xử lý chúng. Cuối cùng, tầng Internet gửi và nhận các
thông điệp kiểm soát và xử lý lỗi ICMP.
Tầng truy nhập mạng: Tầng thấp nhất của mô hình TCP/IP chính là tầng
truy nhập mạng, có trách nhiệm nhận các IP datagram và truyền chúng trên
một mạng nhất định. Người ta lại chia tầng truy nhập mạng thành 2 tầng con
là:
16

Tầng liên kết dữ liệu: Tại đây dữ liệu được tổ chức thành các khung (frame).
Phần đầu khung chứa địa chỉ và thông tin điều khiển, phần cuối khung dành
cho viêc phát hiện lỗi. Tầng liên kết dữ liệu lại được chia làm hai tầng con
nhằm tách biệt việc giao tiếp giữa tầng trên và tầng dưới, đó là: tầng điều
khiển truy nhập môi trường truyền MAC (Medium Access Control) và tầng
điều khiển Liên kết logic LLC (Logic Link Control).
TẦNG VẬT LÝ
Medium Access Control
Logic Link Control
TẦNG LIÊN KẾT DỮ LIỆU

Hình 2: Kiến trúc mạng LAN
Tầng MAC quy định về việc trao đổi thông tin trên mạng. Điều khiển
việc sử dụng tài nguyên một cách bình đẳng khi có nhiều thiết bị cùng muốn
sử dụng một hệ thống truyền dẫn chung. Trong hệ thống truyền dẫn chung
của mạng LAN, chức năng chuyển mạch và chuyển gói số liệu từ thiết bị
nguồn cho đến thiết bị đích có thể được thực hiện ở tầng điều khiển truy nhập
MAC mà không cần thiết phải có một tầng chức năng như tầng mạng của mô
hình OSI. Tầng liên kết logic LLC đảm bảo chuyển tiếp gói số liệu (frame)
chính xác giữa các thực thể cuối của giao thức trao đổi số liệu và hỗ trợ ứng
dụng ở các tầng chức năng cao hơn.
Tầng Vật lý: Thực hiện chức năng điều chế tín hiệu số và đồng bộ để phát và
nhận số liệu (thường là nối tiếp) trong hệ thống truyền dẫn chung một cách
chính xác đối với từng hệ thống truyền dẫn.
17

1.3. Mạng LAN và mạng LAN không dây (WLAN)
1.3.1. Mạng cục bộ - LAN
Mạng LAN là một nhóm các máy tính và thiết bị liên quan cùng sử dụng
đường liên lạc bằng dây nối hoặc không dây để chia sẻ thông tin trong 1 vùng
địa lý nhỏ (ví dụ như: trong văn phòng của tòa nhà). Thông thường, sẽ có 1 bộ
xử lý hoặc một máy tính chuyên phục vụ dùng chung được gọi là Server,
Server sẽ được cài đặt các ứng dụng hoặc dữ liệu được lưu trữ trên nó nhằm
phục vụ ít nhất là 2, 3 người (ví dụ trong gia đình) hoặc cả 1 văn phòng với số
lượng người rất đông có thể là hàng nghìn.
Ban đầu, để đáp ứng nhu cầu nối 2 máy tính với nhau để trao đổi dữ liệu,
người ta sử dụng cáp thông qua cổng nối tiếp (RS232) hoặc cổng song song
(cổng LPT cho máy in). Sau này, do nhu cầu nối giữa nhiều hơn 2 máy tính
các nhà nghiên cứu đã sử dụng cáp đồng trục, nhưng mạng sử dụng cáp này
không có tính mềm dẻo khi cần mở rộng và tốc độ không cao. Các nhà nghiên

cứu đã tìm đến giải pháp sử dụng cáp có dạng tựa đường dây điện thoại, đó là
4 cặp cáp xoắn gọi là UTP, với loại cáp này có thể dễ dàng tạo thành các kiến
trúc mạng dạng sao phổ biến cho mạng LAN hiện nay. Các kiến trúc mạng
kiểu LAN thông dụng bao gồm:
Mạng bus hay mạng tuyến tính Tất cả các thiết bị nối mạng bằng một sợi cáp
đồng trục, với việc sử dụng các bộ nối T-connector, BNC-connector, cuối
đường cáp cần nối với một bộ phối hợp trở kháng sóng là Terminator.
Ethernet (chuẩn 802.3) sử dụng kiến trúc mạng bus với cơ chế CSMA/CD
nên khi tải mạng nặng, thường xảy ra ùn tắc bởi việc tranh chấp sử dụng
đường truyền chung. Do đó các nhà nghiên cứu đưa ra cơ chế Token (thẻ bài),
đó là 1 gói tin điều khiển để thực hiện việc kiểm soát truy cập mạng theo các
mức ưu tiên khác nhau, đảm bảo tránh được xung đột trong mạng.
Mạng vòng (Ring). Các thiết bị (trạm) được mắc nối tiếp với nhau tạo thành
một vòng khép kín, do đó, mỗi trạm được kết nối trực tiếp đến 2 trạm khác kề
bên nó. Kết nối kiểu mạng vòng khá tốn cáp nối nhưng nó cung cấp băng
18

thông cao và khoảng cách có thể lớn. Mạng Token ring (chuẩn 802.5) có topo
dạng vòng và sử dụng thẻ bài.
o Mạng sao Các trạm (thiết bị) cùng nối vào 1 thiết bị trung gian. Thiết bị
trung gian này có chức năng trung chuyển gói tin và định tuyến. Ban đầu,
Hub là thiết bị trung chuyển nhưng nó chuyển gói tin đi đến tất cả các trạm
khác nối với Hub và không có định tuyến nên dễ xảy ra nghẽn mạng. Sau
này, các nhà nghiên cứu đã cải tiến đưa thêm vào khả năng định tuyến cho
thiết bị trung gian mà ngày nay vẫn đang sử dụng phổ biết đó là switch,
một loại thiết bị trung gian cao cấp hơn chính là router.
1.3.2. Mạng LAN không dây -WLAN
WLAN là một loại mạng LAN, nó cung cấp tất cả các tính năng và lợi
ích của mạng LAN truyền thống có dây như Ethernet, nhưng việc kết nối giữa
các thành phần trong mạng không sử dụng các loại cáp như một mạng thông

thường, môi trường truyền thông của các thành phần trong mạng là không
khí. Các thành phần trong mạng sử dụng sóng điện từ hoặc hồng ngoại để
truyền thông với nhau. WLAN điển hình được sử dụng bởi những thiết bị bên
trong một phạm vi có giới hạn rõ ràng, chẳng hạn như là một tòa nhà làm việc
hay một khuôn viên đại học, và thường được xây dựng như là phần mở rộng
cho những mạng hữu tuyến đã có sẵn để cung cấp tính di động cho người
dùng.
Kể từ thời kì đầu của mạng không dây, đã có rất nhiều chuẩn và công
nghệ được phát triển cho WLAN. Một trong những tổ chức chuyên về chuẩn
hóa những công nghệ này là IEEE (Institute of Electrical and Electronics
Engineers). Các chuẩn cho mạng không dây WLAN được IEEE chuẩn hóa
thành họ các chuẩn được ký hiệu là 802.11.
Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những
nhà cung cấp giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz.
Những giải pháp này (thường là độc quyền và không được thống nhất) đã
cung cấp tốc độ truyền dữ liệu xấp xỉ 1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ
10Mbps của hầu hết các mạng LAN thời kì đó.
19

Vào 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 độc quyền không được
công bố rộng rãi. Sự cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị
ở những giải tần số khác nhau dẫn đến một số tổ chức bắt đầu phát triển ra
những chuẩn mạng không dây chung.
Nói về tốc độ WLAN hiện nay thì tốc độ truyền dữ liệu cũng khác nhau,
từ 1 đến 54Mbps, với một số nhà sản xuất cung cấp độc quyền giải pháp
108Mbps. Các tiêu chuẩn 802.11n có thể đạt 300 đến 600Mbps.
Bởi vì các tín hiệu truyền trong không khí, phát sóng trong phạm vi nhất
định để tất cả mọi người có thể chia sẻ nó, do đó các thiết bị WLAN đều cung

cấp biện pháp phòng chống truy cập và biện pháp an ninh là cần thiết để bảo
đảm chỉ những người dùng được cấp quyền mới có thể truy cập mạng WLAN
của bạn.
Một tín hiệu mạng WLAN có thể được phát sóng trải trong khu vực khác
nhau, có kích thước từ một văn phòng nhỏ đến khuôn viên rộng lớn. Phổ biến
nhất, WLAN cung cấp truy cập trong vòng bán kính 20m -90m.
1.3.3 Các loại mạng không dây và một số chuẩn an ninh
Việc phân loại các mạng không dây được các nhà khoa học thực hiện
dựa trên các đặc điểm kỹ thuật và sử dụng, sau đây chúng ta sẽ xem xét các
loại mạng không dây.
 WLAN gia đình và doanh nghiệp nhỏ (Home WLAN)
WLAN này chủ yếu sử dụng một hoặc hai điểm truy cập (Access Point)
để truyền tín hiệu xung quanh bán kính 30m-60m. Các thiết bị loại
WLAN gia đình là Office Max, Radio Shack, Target, và Walmart.
Chuẩn an ninh WLAN gia đình thường tuân thủ theo chế độ WPA2
(Wi-Fi Protected Access 2). Có 1 vài trường hợp ngoại lệ, phần cứng
cũng có chuẩn 802.11a,b hoặc g. Hiện nay, xuất hiện thêm chuẩn mới
trong nhóm WLAN là 802.11n.
20

 WLAN cho doanh nghiệp lớn
Loại này, sử dụng nhiều điểm truy cập (Access Point) để nối với nhau
phục vụ cho khu vực rộng lớn (Wide Area). Do đó các Access Point có
nhiều tính năng và yêu cầu cao hơn so với Access Point dành cho
WLAN gia đình ví như việc xác thực phải tốt hơn, an ninh cao, quản lý
từ xa và công cụ để tích hợp với mạng hiện có. Các Access Point phải
phủ sóng được rộng hơn và được thiết kế để làm việc cùng nhau giữa
các Access Point nhằm phủ được diện tích lớn gấp bội so với khả năng
của 1 Access Point. Do đó, các chuẩn phải được phổ biến để cùng tích
hợp trong các thiết bị khi chia sẻ sẽ theo chuẩn chung và bây giờ ta biết

đến nhiều như chuẩn 802.11a, b, g, hoặc chuẩn n ngoài ra vì là chuẩn
không dây nên cần có chuẩn an ninh chung, hiện nay phổ biến chuẩn an
ninh chung cho WLAN là dòng 802.1x và WPA2.
 Mạng diện rộng không dây – WWAN (Wireless WAN)
WWAN là sự mở rộng của mạng WLAN cho vùng địa lý lớn hơn. Hiện
nay có thể coi các công ty điện thoại di động đang sử dụng công nghệ
WWAN và người dùng cuối chính là người sử dụng điện thoại di động.
Về các chuẩn không dây, chúng khác nhau như nào và chúng ta nên lựa
chọn chuẩn nào phù hợp với nhu cầu sử dụng, chúng ta sẽ xem xét đến
sự khác nhau về các đặc điểm kỹ thuật của một số mạng không dây phổ
biến nhất hiện nay mà các thiết bị phần cứng tuân theo, như các chuẩn
802.11a,b và g.
Chuẩn 802.11a: Với khả năng truyền lên đến 54Mbps, nó nhanh hơn
chuẩn 802.11b và khả năng kết nối đồng thời cũng tốt hơn nhưng dễ bị
nhiễu bởi sóng phát thanh và phạm vi của nó cũng ngắn nhất so với
802.11b và g, thường là từ 20m đến 90m. Với tần số phát được sử dụng
là 5GHz, tín hiệu ít có khả năng xuyên qua vật cản.
21

Chuẩn 802.11b: Chuẩn này hỗ trợ tốc độ truyền lên đến 11Mbps, có
khả năng xuyên vật cản tốt hơn 802.11a nhưng không hỗ trợ nhiều kết
nối. Phạm vi truyền của nó tốt hơn 802.11a, có thể lên đến 270m –
trong môi trường lý tưởng; trên thực tế, phạm vi truyền thường là từ
21m đến 180m, nhưng các thiết bị mạng theo chuẩn này cũng dễ bị
nhiễu do các thiết bị của các hệ thống điện thoại di động cũng hoạt
động trên cùng 1 dải tần số 2.4GHz này, do đó nó không được coi là
một công nghệ tốt cho những ứng dụng đòi hỏi kết nối tin cậy cao.
Chuẩn 802.11g: Nhanh hơn 802.11b có thể đạt tới 54Mbps. Nó có
phạm vi hoạt động ngắn hơn so với 802.11b những vẫn tốt hơn 802.11a
thực nghiệm thường cho thấy vùng hoạt động trong 20m-160m. Các

thiết bị theo chuẩn 802.11g tương thích với các thiết bị theo chuẩn
802.11b nhưng chỉ chạy ở tốc độ của 802.11b khi cùng hoạt động. Nó
cùng chung tần số 2.4Ghz nên cũng có các nhược điểm như 802.11b.
Chuẩn 802.11n: Tuy chưa được phê duyệt nhưng chuẩn này dự kiến
cho phép truyền với tốc độ lên tới 600Mbps và phạm vi gấp đôi so với
chuẩn 802.11b/g.
Nhìn chung, các thiết bị không dây phụ thuộc nhiều vào nhà sản xuất
và môi trường hơn là tiêu chuẩn. Sau đây chúng ta tiếp tục xét đến 1 số
chuẩn an ninh được sử dụng cho chuẩn 802.11x cung cấp.
WEP (Wired Equivalent Privacy): đây là một trong những chuẩn an
ninh cho WLAN ra đời sớm nhất, WEP ban đầu được tạo cho 802.11b
để cung cấp mức độ đảm bảo an ninh tương đương như với các mạng
LAN có dây, nhưng dần sử dụng phù hợp cho chuẩn 802.11a. Nhiều
nhà phân tích bảo mật cho rằng an ninh của WEP là yếu và dễ bẻ khóa
bởi mức độ mã hóa của WEP tương đối yếu (chỉ 40-128bit).
WPA (Wi-Fi Protected Access): WPA thực hiện bảo mật cao hơn
WEP. Nó là biện pháp trung gian để phát triển lên chuẩn 801.11i. WPA
22

bao gồm một cặp tiêu chuẩn nhỏ hơn với công việc phục vụ thực hiện
bảo mật ở khía cạnh khác nhau:
* TKIP (Temporal Key Integrity Protocol encryption), mã hóa tín hiệu
không dây.
* 802.1x dùng để xử lý các chứng thực của người sử dụng mạng.
Thông thường, hệ thống không dây chỉ kiểm soát đăng nhập qua
Access Point của cá nhân hoặc mạng chung, nhưng một số hệ thống
cao cấp hơn chỉ cho truy cập vào mạng dữ liệu (ví dụ VPN) khi người
đăng nhập cung cấp thêm chứng thực người dùng. 802.1x dùng để xác
thực trong mạng không dây. Điều này làm tăng an ninh, do lưu lượng
truy cập trái phép có thể bị từ chối ngay tại các điểm truy cập không

dây.
WPA2/802.11i: Hiệp hội mạng không dây đã đặt ra thuật ngữ “WPA2”
cho thuật tiện khi sử dụng. Tuy nhiên, tên chuẩn của nó là 802.11i, mức
độ mã hóa của nó rất cao đòi hòi chíp chuyên dụng.
Trong thực tế sử dụng, những thiết bị sử dụng chuẩn WPA2 đều có khả
năng tương tác với các thiết bị sử dụng chuẩn WPA nhưng không giao
tiếp với những chuẩn cũ hơn WPA như WEP.
Đặc biệt đối với luận văn này, tôi sẽ trình bày sâu hơn về các chuẩn
không dây dành cho cá nhân WPAN (Wireless Personal Area
Network), WPAN thuộc nhóm 15 trong IEEE802, nó được xây dựng
nhằm giải quyết 7 nhiệm vụ, được trình bày dưới đây.
Nhóm thực hiện 1 (WPAN / Bluetooth): IEEE 802.15.1-2002 được
bắt nguồn từ chuẩn WPAN với kỹ thuật trên nền tảng Bluetoothv1.1
nhằm điều khiển media và xử lý ở tầng vật lý. Sau này, được phát triển
lên phiên bản Bluetoothv1.2 và được công bố là chuẩn IEEE 802.15.1-
2005. Sau chuẩn 802.15.1-2005, nhóm IEEE group 1b đã bỏ phiếu 90-0
23

để chấm dứt mối quan hệ với Bluetooth SIG, do đó các phiên bản nâng
cấp về sau của Bluetooth sẽ không phải là chuẩn của IEEE.
Nhóm thực hiện 2 (Coexistence): IEEE 802.15.2-2003 giải quyến vấn
đề cùng tồn tại của mạng WPAN với các thiết bị không dây khác hoạt
động trong dải tần số không được cấp phép như WLAN.
Nhóm thực hiện 3 (High Rate WPAN): IEEE 802.15.3-2003 là chuẩn
cho tầng con MAC và tầng con PHY đối với WPAN tốc độ cao (11-
55Mbit/s), bao gồm:
3a (WPAN tốc độ cao ở mức PHY): 802.15.3a là chuẩn được các nhà
nghiên cứu nỗ lực xây dựng, cung cấp tốc độ cao hơn cho các ứng dụng
liên quan đến hình ảnh và Multimedia.
IEEE 802.15.3a là chuẩn về tầng vật lý với dải thông cực rộng - UWB

PHY với 2 đề xuất sử dụng: MB-OFDM UWB (được trình bày chi tiết
trong chương 3, mục 3.2.1) hỗ trợ bởi hiệp hội liên minh mạng không
dây và Direct Sequence - UWB (DS-UWB) được hỗ trợ bởi diễn đàn
UWB.
3b (Cải tiến MAC): IEEE 802.15.3b nhằm cải tạo 802.15.3 để phát
triển tính khả thi và tương tác bên trong của MAC. Ngoài ra, phần này
nhằm sửa các lỗi, các mục chưa rõ ràng và đưa thêm 1 số vấn đề khác.
3c WPAN (mmWave WPAN): Nhóm làm việc 3c của IEEE (TG3c)
được thành lập tháng 3 năm 2005, nhằm phát triển tầng vật lý sử dụng
sóng milimet cho chuẩn WPAN 802.15.3-2003. TG3c dự kiến hoàn
thiện vào tháng 5/2008. mmWave WPAN xử lý trên dải tần 57-64GHz
không cần cấp phép, được quy định bởi FCC, với ký hiệu FCC 47 CFR
15.255.
24

Ngoài ra, mmWave WPAN cho phép các ứng dụng truyền dữ liệu với
tốc độ cao trên 2Gbit/s như truy cập internet tốc độ cao. Khả năng
truyền dữ liệu ở mức 3Gbit/s sẽ đạt được trong thời gian tới.
Nhóm thực hiện 4 – LR-WPAN (Low Rate WPAN)
Tương tự nhóm 3, nhóm 4 cũng được phát triển theo các giai đoạn khác
nhau, được trình bày dưới đây.
4 (Low Rate WPAN) ZigBee
IEEE 802.15.4-2003 (Low Rate WPAN) truyền dữ liệu với tốc độ thấp
nhất nhưng tuổi thọ của PIN rất lâu (tháng, thậm chí cả năm) và độ
phức tạp thấp. Mạng ZigBee là mạng không dây cá nhân chi phí thấp,
tiêu hao điện năng thấp. Do chi phí thấp nên kỹ thuật này được phát
triển rộng cho các ứng dụng điều khiển hoặc giám sát không dây.
4a (WPAN Low Rate Alternative PHY) : Nhóm này tập trung nghiên
cứu việc cung cấp thông tin có độ chính xác cao, có thông lượng cao và
tiêu thụ năng lượng thấp.

Vào tháng 3/2007, 802.15.4a được phê duyệt như là một sửa đổi của
IEEE Std 802.15.4-2006.
4b (Revisions and Enhancements): nhóm 802.15.4b thực hiện dự án cải
tiến cụ thể và làm rõ cho tiêu chuẩn IEEE 802.15.4-2003, chẳng hạn
như những vấn đề chưa được rõ ràng, giảm độ phức tạp không cần
thiết, tăng tính linh hoạt trong việc bảo mật, cân nhắc phân bố tần số và
những việc khác. IEEE 802.15.4b đã được phê duyệt vào tháng 6/2006
và được công bố vào tháng 9/2006 là IEEE 802.15.4-2006.
Nhóm thực hiện 5 (Mesh Networking): Nhóm này thực hiện dự án
nghiên cứu về mạng hỗn hợp (Mesh Networking) trong mạng WPAN.
25

Nhóm thực hiện 6 (BAN -Body Area Network):Mục đích của dự án
nhằm xây dựng mạng không dây tiêu thụ năng lượng thấp và tần số
thấp trong phạm vi rất ngắn.
Nhóm thực hiện 7 (VLC) : Nhóm thực hiện viết về chuẩn MAC và
PHY phục vụ cho VLC(Visible Light Communications).
Để giúp chúng ta hiểu cách giao tiếp giữa các thiết bị không dây sau
đây tôi trình bày về các mô hình được sử dụng trong WLAN.
1.3.4. Các mô hình WLAN

a) Mô hình mạng dịch vụ cơ bản độc lập IBSS
Mô hình mạng dịch vụ cơ bản độc lập (IBSS) cho phép các thiết bị không dây
trực tiếp giao tiếp với nhau. Thiết bị không dây trong phạm vi truyền sóng
radio của nhau có thể phát hiện ra nhau và giao tiếp trực tiếp mà không cần
đến điểm trung gian (Access Point). Phương pháp này thường được sử dụng
bởi 2 máy tính kết nối với nhau để tạo nên mạng.

Hình 3: Peer-to-Peer or ad-hoc wireless LAN
b) Mô hình tập hợp dịch vụ cơ bản (Basic service sets (BSSs) )

Một mạng theo mô hình BSS sẽ tập trung giải quyết vấn đề truy cập và
vấn đề kiểm soát một nhóm các thiết bị mạng không dây thông qua 1 thiết bị
trung tâm gọi là Access Point – AP là là một thiết bị đóng vai trò trung tâm.

26


Hình 4: Mô hình mạng IBSS và BSS

Bất kỳ thiết bị không dây nào muốn dùng hạ tầng mạng đầu tiên phải thực
hiện một số bước để trở thành thành viên của AP và cần thỏa mãn một số yêu
cầu sau:
- SSID phải giống nhau.
- Có tốc độ truyền dữ liệu tương thích với AP.
Mối quan hệ của một trạm với một AP được gọi là một kết hợp (association).
Máy trạm phải gửi một thông điệp có chứa yêu cầu kết hợp. Sau đó AP sẽ gán
quyền hay từ chối yêu cầu trên bằng cách gửi ra một thông điệp trả lời. Khi đã
được kết hợp thành công, tất cả các truyền thông vào/ra từ máy trạm phải
thông qua AP. Hoạt động này minh họa ở hình B trong hình vẽ 4 bên trên.
Các máy trạm không còn có thể giao tiếp với nhau như trong mô hình adhoc
trước đây nữa (mô hình IBSS).
Thiết bị AP không phải là một thiết bị hoàn toàn bị động giống như một
Ethernet hub. Một AP quản lý mạng không dây của nó, quảng bá sự tồn tại
của chính nó sao cho các máy trạm có thể kết hợp, sau đó AP sẽ kiểm soát
tiến trình kết hợp này.
Ngoài ra, bất chấp trạng thái kết hợp là như thế nào, một máy trạm có khả
năng lắng nghe hoặc nhận các frame được gửi thông qua hạ tầng không dây.
27

Các frame thì “trôi nổi” trong không khí, và do đó có thể được bất cứ thiết bị

nào hoạt động trong cùng dải tần số thu nhận.
c) Mô hình tập hợp dịch vụ mở rộng ESSs ( Extended Service Set)
Một AP cũng có thể kết nối vào một hệ thống mạng Ethernet bởi vì trên
AP có hỗ trợ các kết nối không dây và có dây. AP có thể được đặt tại các vị
trí vật lý khác nhau và được kết nối vào mạng có dây như một thiết bị thông
thường. Mô hình kết nối này được gọi là mô hình dịch vụ mở rộng 802.11
ESSs.

Hình 5: Mô hình mạng ESS
Trong mô hình ESS, một máy trạm chỉ có thể kết nối vào một AP khi máy đó
ở gần AP đó. Nếu máy trạm sau đó di chuyển sang vị trí khác, nó có thể kết
nối với các AP gần đó. Chuẩn 802.11 cũng định nghĩa một cách thức cho
phép các máy trạm chuyển vùng (hand-off) từ AP này sang AP khác khi vị trí
của máy trạm không dây thay đổi.
1.3.5. Ƣu điểm của mạng WLAN so với mạng LA N:
Sự tiện lợi và hiệu quả: Mạng không dây cũng như hệ thống mạng thông
thường. Nó cho phép người dùng truy cập 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) có tính chất di động thì mạng
WLAN thực sự tiện lợi cho người sử dụng.
Triển khai: Việc thiết lập hệ thống mạng không dây ban đầu chỉ cần ít nhất
1 AP. Với mạng dùng cáp, phải tốn thêm chi phí và có thể gặp khó khăn trong
việc triển khai hệ thống cáp ở nhiều nơi trong tòa nhà.