BÀI BÁO CÁO THỰC TẬP-MỞ RỘNG MẠNG WLAN BẰNG KỸ THUẬT MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY

Mở rộng WLAN bằng kỹ thuật mạng hình lưới không dây


Sự phát triển nhanh của công nghệ mạng không
dây trong những năm gần đây đã cho phép
người sử dụng chủ động trong việc lựa chọn giải
pháp thích hợp khi triển khai mạng. Mỗi công
nghệ mạng không dây được thiết kế để hoạt
động ở một phạm vi nhất định và được phân loại
theo khả năng phủ sóng của từng công nghệ.
Trong thực tế thường được phân chia thành các
loại mạng: Mạng cá nhân WPAN, mạng nội bộ WLAN, mạng đô thị
WMAN, mạng diện rộng WWAN. Tính chất của mỗi loại mạng được
cấu thành thông qua một tập các tham số về băng thông, phạm vi mạng,
năng lượng tiêu thụ, vị trí của người sử dụng
ĐẶT VẤN ĐỀ

Sự phát triển nhanh của công nghệ mạng không dây trong những năm
gần đây đã cho phép người sử dụng chủ động trong việc lựa chọn giải
pháp thích hợp khi triển khai mạng. Mỗi công nghệ mạng không dây
được thiết kế để hoạt động ở một phạm vi nhất định và được phân loại
theo khả năng phủ sóng của từng công nghệ. Trong thực tế thường được
phân chia thành các loại mạng: Mạng cá nhân WPAN, mạng nội bộ
WLAN, mạng đô thị WMAN, mạng diện rộng WWAN. Tính chất của
mỗi loại mạng được cấu thành thông qua một tập các tham số về băng
thông, phạm vi mạng, năng lượng tiêu thụ, vị trí của người sử dụng
Mối tương quan về phạm vi phủ sóng và tốc độ truyền dữ liệu của từng
loại mạng được minh họa trong Hình 1 [3].


Hình 1. Các công nghệ mạng không dây và phạm vi ứng dụng

Ưu điểm về tốc độ truyền cao và phạm vi phủ sóng rộng, WiMAX là lựa chọn số
một cho các ứng dụng mạng không dây có số lượng người sử dụng lớn, cung cấp
đồng thời nhiều dịch vụ khác nhau (thoại, video, Internet) trên cùng một đường
truyền không dây [9]. Tuy nhiên, với các ứng dụng mạng có phạm vi vừa và nhỏ,
công nghệ WiMAX không phải là một giải pháp phù hợp do giá thành thiết bị đầu
cuối cao, chi phí thiết lập mạng lớn. Trong các ứng dụng mạng không dây phạm vi
vừa và nhỏ, công nghệ WLAN (IEEE 802.11) vẫn là một giải pháp hoàn toàn phù
hợp về đặc điểm kỹ thuật cũng như chi phí sử dụng. Tuy nhiên, do hạn chế về tầm
phủ sóng, công nghệ WLAN truyền thống không thể đáp ứng được các ứng dụng
cần mở rộng mạng. Vì vậy, trên cơ sở các yếu tố công nghệ có sẵn của công nghệ
không dây chuẩn, yêu cầu đặt ra là phải xây dựng được giải pháp kết nối để tạo ra
mạng có phạm vi phủ sóng cao hơn nhưng vẫn đảm bảo được tính chất của mạng.
Kỹ thuật mạng hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh Network) có thể được
coi là một giải pháp tốt cho vấn đề đặt ra, nhằm mở rộng phạm vi phủ sóng cho các
mạng WLAN chuẩn. Dựa trên các thiết bị có sẵn của WLAN cùng với một số cải
tiến về cả phần cứng, phần mềm; xây dựng giao thức truyền thông mới, kỹ thuật
mạng hình lưới không dây có thể cải thiện đáng kể tầm phủ sóng của mạng ban
đầu.
So sánh WLAN và WiMAX

WiMAX
(802.16a)
WLAN
(802.11b)
(802.11a/g)
Ứng dụng cơ bản
Mạng không dây
băng thông rộng
Mạng không dây
nội bộ

Mạng không dây
nội bộ
Dải tần
2GHz đến 11GHz
2.4GHz ISM
2.4GHz ISM (g)
Băng thông kênh
Có thể điều chỉnh
được trong khoảng
1.25MHz-20MHz
25MHz
20MHz
Chế độ truyền dữ
liệu
Song công
Bán công
Bán công
Công nghệ vô
tuyến
OFDM
DSSS
OFDM
Độ hiệu quả của
băng thông
≤ 5 bps/Hz
≤ 0.44 bps/Hz
≤ 2.7 bps/Hz
Mật mã
3DES (Bắt buộc)
AES (Tùy chọn)

RC4
(AES với
802.11i)
RC4
(AES với
802.11i)
Khả năng di
động
(Mobility)
Mobile WiMAX
(802.16e)
Đang được phát
triển
Đang được phát
triển
Kết nối mạng
lưới
(Mesh Network)
Có
Tuỳ thuộc vào
hãng sản xuất
Tuỳ thuộc vào
hãng sản xuất
Ưu điểm
Tốc độ truyền cao,
phạm vi phủ sóng
rộng
Tốc độ truyền
cao, giá thành rẻ
Tốc độ truyền

cao, giá thành rẻ



KỸ THUẬT MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY WMN

Khái niệm mạng hình lưới (Mesh Network) nói chung được sử dụng
trong một số lĩnh vực của ngành công nghệ thông tin. Kỹ thuật mạng
hình lưới là cách thức truyền tải dữ liệu, âm thanh và câu lệnh giữa các
nút xử lý, cho phép truyền thông liên tục và tự xác định lại cấu hình
xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách “nhảy” từ nút này sang nút
khác cho đến khi thiết lập được kết nối. Mạng lưới có khả năng tự hàn
gắn và tạo ra mạng có độ tin cậy cao; có thể hoạt động khi có một nút bị
lỗi hoặc chất lượng kết nối mạng kém. Trong lĩnh vực mạng không dây,
mạng lưới được áp dụng để nới rộng phạm vi phủ sóng của mạng không
dây truyền thống. Các nút trong mạng truyền thông trực tiếp với các nút
khác và tham gia trong mạng lưới. Nếu một nút có thể kết nối với một
nút lận cận khác thì sẽ có kết nối với toàn mạng [8].

Các cấu hình mạng

Công nghệ mạng WLAN được áp dụng để triển khai mạng không dây
diện rộng thông qua một số cải tiến về phần cứng và phần mềm trên các
chuẩn 802.11a, 802.11b có dải tần khác nhau (Bảng 1). Chuẩn 802.11b
thường được dùng khi cài đặt giao thức truyền thông giữa các nút do đặc
tả của chuẩn này cho phép phạm vi truyền lớn hơn khi hoạt động ở dải
tần 2.4GHz.
Trong kỹ thuật mạng hình lưới, có các khái niệm:

- Nút (Node): Gồm có router và/hoặc các client (máy tính, PDA, ).

- Nút đường lên (Uplink node): Nút kết nối tới mạng Internet thông qua
đường truyền hữu tuyến để cung cấp kết nối Internet cho toàn mạng.

- Nút đường xuống (Downlink node): Nút kết nối tới mạng và có khả
năng phục vụ cả kết nối hữu tuyến và vô tuyến cho mạng.

- Nút lặp (Repeater node): Nút kết nối vào mạng và không dùng để phục
vụ các client chỉ đóng vai trò là nút trung gian lặp tín hiệu.
Các cấu hình mạng cơ bản [4],[6]

§ Điểm – Điểm (Point-to-Point): Là kiểu kết nối đơn giản nhất, hai nút
truyền thông qua hai anten thu phát công suất cao hướng trực tiếp với
nhau.



Hình 2. Mạng Điểm-Điểm
§ Điểm – Đa điểm (Point-to-Multipoints): Kết nối được chia sẻ giữa nút
đường lên dùng anten đa hướng với các nút đường xuống (hoặc nút lặp)
với anten thu công suất cao. Cấu hình mạng này dễ triển khai hơn cấu
hình Điểm– Điểm vì khi thêm một thuê bao mới chỉ cần lắp đặt thêm
thiết bị tại khu vực thuê bao chứ không phải lắp tại nút đường lên. Tuy
vậy, các trạm thu phải nằm trong phạm vi phủ sóng và có đường nhìn
thẳng với trạm phát sóng gốc. Các vật cản như cây cối, nhà cửa, đồi núi,
sẽ góp phần làm cấu hình mạng lưới Điểm – Đ điểm hoạt động không
hiệu quả.


Hình 3. Mạng Điểm – Đa điểm

§ Đa điểm – Đa điểm: Mỗi nút có vai trò không chỉ là điểm truy nhập
cho các trạm mà còn làm nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu.


Hình 4. Mạng Đa điểm- Đa điểm
Cấu hình này có độ tin cậy mạng cao nhất do các nút có sự liên thông
với nhau, một nút chỉ cần có kết nối với một nút bất kỳ mà không cần
phải có kết nối trực tiếp với nút đường lên như trong cấu hình Điểm –
Đa điểm, là có thể kết nối với toàn mạng. Tuy nhiên, đổi lại giao thức
tìm đường của mạng sẽ có độ phức tạp cao hơn.

Giao thức truyền thông

Giao thức truyền thông giữa các nút là yếu tố kỹ thuật cốt lõi của mạng.
Mạng có khả năng tự phục hồi tốt cũng như tìm được đường đi tối ưu
hay không là nhờ vào giao thức truyền dữ liệu giữa các nút xử lý trong

mạng. Có một số kỹ thuật đang được đề xuất làm giao thức truyền thông
cho mạng lưới như: AODV (Ad-hoc On Demand Distance Vector),
PWRP (Predictive Wireless Routing Protocol), OLSR (Optimized Link
State Routing Protocol), TORA (Temporally-Ordered Routing
Algorithm), Tuy nhiên, sẽ chưa có giao thức nào được chọn chính thức
cho đến khi chuẩn cho mạng hình lưới không dây 802.11s ra đời [1],[6].

Các giao thức đều được thiết kế dựa trên nguyên tắc chung giống nhau,
chỉ khác nhau về cách thể hiện cài đặt và xử lý thông tin. Trong phần
này giới thiệu Giao thức định tuyến động DSR (Dynamic Source
Routing Protocol). Đây là giao thức có nhiều ưu điểm về tính đơn giản,
hiệu quả cao, có khả năng tự tổ chức, tự định cấu hình tốt.

Các đặc điểm của DSR

Giao thức được cấu thành từ hai cơ chế: Phát hiện đường truyền và Duy
trì đường truyền. Các cơ chế này cho phép các nút trong mạng truyền
thông trực tiếp hoặc gián tiếp với tất cả các nút còn lại trong mạng lưới.

- Phát hiện đường đi RD (Route Discovery): Là cơ chế tìm đường khi
nút gốc S muốn gửi gói dữ liệu tới nút đích D nhưng chưa biết đường đi.

- Duy trì đường đi RM (Route Maintenance): Là cơ chế trong đó nút S
có khả năng tìm đường mới khi đường truyền đang sử dụng bị gián đoạn
do cấu hình mạng đã thay đổi hoặc kết nối giữa các nút trong đường
truyền đó không hoạt động. Khi phát hiện ra đường truyền cũ bị đứt, S
có thể tìm một đường truyền tới D khác mà nó biết hoặc thực hiện cơ
chế RD để tìm ra đường mới.

Các cơ chế RD và RM hoạt động hoàn toàn dựa theo yêu cầu của các

nút. Không giống với các giao thức khác, DSR không đòi hỏi phải
truyền định kỳ các gói dữ liệu tìm đường quảng bá, các tín hiệu kết nối
hoặc các gói dữ liệu phát hiện nút lân cận. Với lý do này, DSR làm giảm
nghẽn mạch mạng do truyền định kỳ các gói dữ liệu về 0 khi tất cả các
nút có vị trí tương đối ổn định so với các nút khác và tất cả các đường đi
cần thiết cho việc truyền thông đã được phát hiện.

Cơ chế phát hiện đường RD

Khi một nút S cần gửi một gói tin tới nút đích D, S ghi thứ tự các bước
đi trong cả đường đi tới D vào phần thông tin header của gói tin. Thông
thường, S sẽ lấy thông tin về đường đi thích hợp tới D bằng cách tìm
trong bộ nhớ các đường đi được lưu lại từ những lần đi trước (Route
Cache) của nút. Nếu không tìm thấy, S khởi tạo cơ chế RD để tìm đường
đi. Trong trường hợp này, S được gọi là gốc (initiator) và D là đích
(target) của cơ chế RD.

Cơ chế duy trì đường (Route Maintenance)

Khi gửi hoặc chuyển tiếp một gói tin bằng đường truyền xác định được,
mỗi nút có trách nhiệm kiểm chứng việc nhận dữ liệu của nút tiếp theo
trong đường đi. Gói dữ liệu sẽ được tiếp tục truyền (với một số lần được
xác định trước) cho tới khi có xác nhận đã nhận được dữ liệu.

Các tham số ảnh hưởng đến hiệu suất mạng

Một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu khi thiết kế, triển khai
và đưa mạng vào hoạt động là khảo sát được các tham số ảnh hưởng đến
hiệu suất của mạng.

Kỹ thuật vô tuyến

Tham số ảnh hưởng lớn đến hiệu suất mạng là công nghệ vô tuyến. Sự
phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn, công nghệ tần số vô tuyến
và lý thuyết truyền thông là các yếu tố góp phần thúc đẩy công nghệ
mạng không dây phát triển. Có nhiều phương pháp được đề xuất để tăng
dung lượng và khả năng mềm dẻo của các hệ thống vô tuyến bao gồm
như: anten có hướng, hệ thống MIMO. Tuy nhiên, để có thể nâng cao
hơn nữa hiệu suất của hệ thống không dây cần phải có sự cải tiến trong
các giao thức lớp cao hơn, đặc biệt là lớp điều khiển truy nhập (MAC)
và giao thức định tuyến.

Khả năng mở rộng

Kích thước mạng lớn có thể làm cho giao thức định tuyến hoạt động
không hiệu quả, không tìm được đường đi tin cậy và làm giảm hiệu suất
mạng. Mạng lưới có kiến trúc ad-hoc nên khó cài đặt các cơ chế đa truy
nhập tập trung như: Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và Đa
truy nhập phân chia theo mã CDMA do độ phức tạp và các yêu cầu về
đồng bộ thời gian (với TDMA) và quản lý mã (với CDMA). Vì vậy, cơ
chế truy nhập thường được dùng là đa truy nhập phân tán CSMA/CA.
Tuy nhiên, CSMA/CA có độ hiệu quả sử dụng lại tần số không gian rất
thấp, giảm khả năng mở rộng của mạng nên kỹ thuật này cũng không
phải là tối ưu. Vì vậy, việc tạo ra kỹ thuật lai ghép giữa CSMA/CA với
TDMA hoặc CDMA có thể là một hướng tiếp cận mới để nâng cao tính
năng của mạng.


Băng thông và chất lượng dịch vụ

Khác với các loại mạng ad-hoc khác, hầu hết các ứng dụng mạng lưới
không dây là các dịch vụ băng rộng với nhiều yêu cầu về chất lượng
dịch vụ (QoS). Do vậy còn có nhiều vấn đề khác cần quan tâm khi thiết
kế giao thức truyền thông: độ trễ truyền, tỉ lệ mất mát dữ liệu, băng
thông tại từng nút,

Bảo mật mạng

Qua thực tế sử dụng, công nghệ WLAN đã bộc lộ nhiều yếu điểm trong
bảo mật nên bài toán bảo mật cho mạng lưới không dây vẫn chưa thực
sự có lời giải thỏa đáng. Có rất nhiều các kỹ thuật bảo mật được đề xuất
cho WLAN, tuy nhiên chưa có cơ chế hoàn chỉnh nào được đề xuất cho
mạng lưới. Do kiến trúc của phân tán của hệ thống nên chưa có cơ chế
phân phối khóa công khai trong WMN. Hầu hết các giải pháp bảo mật
cho mạng ad hoc không đủ tin cậy để cài đặt do cơ chế bảo mật của
mạng khác với ở các mạng ad hoc. Vì vậy, bảo mật mạng vẫn còn là vấn
đề bỏ ngỏ, các cơ chế bảo mật như: các thuật toán mật mã, phân phối
khóa bảo mật, bảo mật tầng MAC, phát hiện xâm nhập và quan sát mạng
cần được tiếp tục phát triển.

Tính dễ sử dụng

Giao thức cần được thiết kế sao cho đạt được tính tự trị nhiều nhất có thể
để tăng cường khả năng quản lý năng lượng, tự tổ chức, kiểm soát thay
đổi cấu hình động, khắc phục các sự cố kết nối, xác thực người sử dụng
nhanh. Ngoài ra, các công cụ quản lý mạng như: theo dõi hiệu suất
mạng, định cấu hình các tham số của WMN cũng cần được phát triển
tương ứng. Các công cụ này cùng với cơ chế tự trị của giao thức sẽ góp
phần thúc đẩy sự phát triển của WMN.

Một số ứng dụng tiểu biểu của mạng hình lưới không dây

Với ưu điểm về mở rộng phạm vi phủ sóng trên nền các thiết bị có sẵn
của công nghệ mạng WLAN, kỹ thuật mạng lưới không dây có thể được
ứng dụng trong các ngữ cảnh mà không thể sử dụng mạng có dây để
thay thế hoặc nếu thay thế được thì phải trả chi phí rất lớn. Sau đây là
một số ứng dụng tiêu biểu:

Giao thông công cộng

Ứng dụng mạng lưới trong giao thông công cộng cho phép người sử
dụng truy cập Internet trong khi đang di chuyển. Hệ thống thông tin này
là sự kết hợp của hai yếu tố: Kết nối di động tốc độ cao tới mạng
Internet và mạng lưới trong từng phương tiện giao thông (Hình 5). Tuy
nhiên, mô hình này chỉ thực sự được ứng dụng rộng rãi khi công nghệ
Mobile WiMAX ra đời. Đây cũng là một minh chứng cụ thể cho tính
tương hỗ giữa hai công nghệ không dây WLAN và WiMAX.


Hình 5. Ứng dụng WMN trong tàu điện
Doanh nghiệp

Là các mạng cỡ vừa và nhỏ trong phạm vi một văn phòng của cùng một

đơn nguyên hoặc mạng phạm vi rộng liên kết các văn phòng khác nhau
nằm ở các đơn nguyên khác nhau. Hiện tại, các mạng IEEE 802.11 được
sử dụng rất nhiều trong các văn phòng. Tuy nhiên, đây chỉ là các mạng
độc lập, chưa có sự kết nối với nhau. Việc dùng mạng hữu tuyến để kết
nối là giải pháp không mang lại hiệu quả kinh tế do chi phí thiết lập
đường truyền lớn. Trong trường hợp này, mạng hình lưới không dây là
giải pháp phù hợp và tiết kiệm được chi phí.





Điều khiển tự động

Thông thường tín hiệu của các hệ thống điều khiển nguồn điện và các
thiết bị điện tử (đèn chiếu sáng, thang máy, điều hòa nhiệt độ, ) trong
các khu nhà lớn được truyền qua mạng hữu tuyến. Tính chất của mạng
hạn chế khả năng mở rộng của hệ thống khi lắp đặt thêm các thiết bị mới
ở những địa hình phức tạp. Việc triển khai mạng hình lưới thay thế để
truyền tín hiệu mang lại hiệu quả kinh tế cao và khả năng linh động
trong sử dụng mạng.

Y tế

Dữ liệu trong hệ thống y tế như hình ảnh và thông tin chẩn đoán cần
được xử lý và truyền kịp thời từ phòng này sang phòng khác. Dữ liệu
này thường chứa hình ảnh chẩn đoán độ phân giải cao nên việc truyền
đòi hỏi băng thông lớn. Khác với mạng hữu tuyến thông thường chỉ có
thể hỗ trợ truy nhập mạng từ những vị trí nhất định, mạng lưới không
dây cung cấp cho người sử dụng một cách truy nhập mạng cơ động

nhưng vẫn đảm bảo băng thông cần thiết.

Quan sát an ninh

Các hệ thống quan sát an ninh nơi đông người đòi hỏi hạ tầng mạng có
tốc độ truyền cao để truyền các hình ảnh động liên tục. Cách tiếp cận
theo mạng lưới không dây cung cấp cho hệ thống khả năng linh hoạt
trong điều khiển và thu nhận tín hiệu ngay cả khi các thiết bị thay đổi vị
trí -điều này không có được với mạng hữu tuyến. Thêm vào đó, công
việc lắp đặt thiết bị mới và bảo trì thiết bị cũ cũng dễ dàng hơn.










KẾT LUẬN

Thực tế đã chứng minh với sự ra đời của công nghệ WiMAX, công nghệ
WLAN không bị thay thế mà song hành với WiMAX. Hai công nghệ
này bổ trợ lẫn nhau: WiMAX cung cấp kết nối không dây diện rộng cho
WLAN; WLAN phân phối kết nối của WiMAX đến người sử dụng cuối
thông qua hạ tầng mạng có sẵn. Mặc dù còn nhiều vấn đề kỹ thuật cần
được khắc phục, kỹ thuật mạng lưới không dây là một giải pháp tốt cho
các ứng dụng mạng có phạm vi kết nối vừa và nhỏ, được thiết lập dựa
trên hạ tầng mạng WLAN có sẵn. Kỹ thuật này giúp tiết kiệm được chi

phí nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu tối thiểu của mạng không dây
diện rộng. Mạng hình lưới không dây có thể được ứng dụng để triển khai
nhiều dịch vụ thiết thực phục vụ cuộc sống. Tuy nhiên, để kỹ thuật này
được phát triển thành chuẩn chính thức và hoạt động thực sự có hiệu
quả, cần phải tiến hành nhiều nghiên cứu để hoàn thiện các yếu tố quan
trọng, đặc biệt là giao thức truyền thông và bảo mật mạng.