Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát, cảnh báo nhiệt độ sử dụng wifi kết hợp giao thức internet of things

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ
SỬ DỤNG WIFI KẾT HỢP GIAO THỨC INTERNET OF THINGS

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Văn Chƣơng
inh viên h
ớ

hi n

: Nguyễn Trọng Thuần
: 52K - ĐTTT

NGHỆ AN - 2016


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn nhiệt tình và tạo điều kiện của
giảng viên: ThS. Lê Văn Chƣơng và một môi trƣờng làm việc lành mạnh, phát
triển bền vững trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trƣờng Đại học Vinh.
Trong quá trình làm đồ án, em đã cố gắng để hoàn thành một cách tốt nhất
nhƣng vẫn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong các q thầy cơ
góp ý, chỉ bảo các thiếu sót đang tồn tại để đồ án này đƣợc hồn thiện hơn.
Một lần nữa, em xin kính chúc quý thầy, cô sức khỏe và thành công với
những bài giảng và thành công trong sự nghiệp giảng dạy rèn ngƣời.
Em xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án tập trung nghiên cứu về hệ thống tự động thu thập dữ liệu nhiệt độ,
ứng dụng trong nền tảng Internet of things. Thiết lập chế độ hoạt động phù hợp
với các trạng thái điểm truy nhập (AP) hoặc máy trạm (Client) tạo nên một sự
luân chuyển hài hịa cho q trình xử lý, truyền nhận đạt đƣợc độ tin cậy cao nhất
tại các node mạng. Sử dụng bộ vi xử lý thông minh để thu thập thông tin và dữ
liệu đƣợc truyền qua mạng không dây WIFI về máy trạm. Và gửi qua các nốt
mạng liên kết để truyền dữ liệu đi xa và kết nối Internet.

ABSTRACT
This thesis centralized study on the automation system collect temperature
data, applications in the Internet of things platform. Establish appropriate
operating mode with the status access point (AP) or client (Client) to create a
harmonious circulation for processing, transmission achieve the highest
reliability in the network node. Using intelligent microprocessor to gather
information and data to be transmitted on the client using WIFI wireless network
for client. And sent over the link network node for data transmission and Internet
connection away.


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 2
TÓM TẮT ĐỒ ÁN................................................................................................. 3
LỜI NĨI ĐẦU ....................................................................................................... 1
DANH SÁCH HÌNH VẼ ....................................................................................... 2
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU......................................................................... 4
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... 4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ INTERNET OF THINGS VÀ

GIAO TIẾP KHƠNG DÂY WIFI.......................................................................... 7
1.1. Cơng nghệ Internet of things(IoT) .................................................................. 7
1.2. Các giao thức trong IOT ................................................................................. 8
1.3. Tổng quan về giao thức WIFI ......................................................................... 8
1.3.1 Phân lớp giao thức....................................................................................... 10
1.3.2 Các chức năng điều khiển ........................................................................... 10
1.3.2.1 Beacon ...................................................................................................... 11
1.3.2.2 Dò quét ..................................................................................................... 12
1.3.2.3 Xác thực ................................................................................................... 13
1.3.2.4 Quá trình liên kết ...................................................................................... 15
1.3.2.5 Tái liên kết................................................................................................ 15
1.3.2.6 Ngắt liên kết ............................................................................................. 16
1.3.3 Truy nhập kênh phân phối........................................................................... 16
1.3.4 Khoảng thời gian cơ bản truy nhập kênh .................................................... 19
1.3.4.1 Khoảng cách liên khung ngắn SIFS ......................................................... 20
1.3.4.2 Khe thời gian ............................................................................................ 21
1.3.4.3 Khoảng cách liên khung PIFS của PCF ( The PCF inter – frame space) 21


1.3.5 Trao đổi khung dữ liệu và khung ACK xác nhận. ...................................... 21
1.3.5.1 Phân đoạn khung ...................................................................................... 22
1.3.5.2 Phát hiện trùng lặp (Duplicete detection) ................................................ 24
1.3.5.3 Tiêu đề và sự bình đẳng thứ tự dữ liệu /ACK .......................................... 24
1.4. Giao thức TCP/IP .......................................................................................... 25
CHƢƠNG 2: VI MẠCHESP8266 VÀ ỨNG DỤNG TRONG INTERNET OF
THINGS ............................................................................................................... 37
2.1. Tổng quan về esp8266 .................................................................................. 37
2.2 Các ứng dụng ................................................................................................. 42
2.4 Giới thiệu về phần mềm sử dụng và ngơn ngữ lập trình ................................ 43
2.4.1 Phần mềm ESPlorer .................................................................................... 43

2.4.2 Ngơn ngữ lập trình ...................................................................................... 44
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO
NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG WIFI KẾT HỢP GIAO THỨC INTERNET OF THINGS
.............................................................................................................................. 45
3.1 Phân tích, yêu cầu thiết kế.............................................................................. 45
3.2 Sơ đồ khối ...................................................................................................... 45
3.2 Thiết kế phần cứng ......................................................................................... 45
3.2.1 Khối phát ..................................................................................................... 45
3.2.2 Khối thu ....................................................................................................... 48
3.2.2 Sơ đồ nguyên lý, và mạch in PCB .............................................................. 49
3.3 Xây dựng thuật toán điều khiển ..................................................................... 51
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 56
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 57


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ nền tảng Internet of
things (IoT) đang nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của giới công nghệ, sự bùng nổ
của IoT trong tƣơng lai sẽ có tác động mãnh mẽ tới cuộc sống, công việc và xã hội
loài ngƣời. Trong nền tảng này mỗi đồ vật, con ngƣời đƣợc cung cấp một định danh
của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thơng tin, dữ liệu qua một
mạng duy nhất mà không cần đến sự tƣơng tác trực tiếp giữa ngƣời với ngƣời, hay
ngƣời với máy tính. Nói một cách đơn giản IoT là một tập hợp các thiết bị có khả
năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngồi để thực hiện một cơng
việc nào đó.
Dựa trên nền tảng IoT, một trong những vấn đề đƣợc quan tâm nghiên cứu,
có khả năng mang lại hiệu quả kinh tế đó là các hệ thống giám sát các thơng số của
môi trƣờng (nhiệt độ, độ ẩm, cƣờng độ sáng, …) ứng dụng trong nông nghiệp, trong
cảnh báo thiên tai, kiểm sốt nhiệt độ cho các tịa nhà, …

Trong phần báo cáo về đồ án này, em xin trình bày về đề tài “ Thiết kế, chế
tạo hệ thống giám sát, cảnh báo nhiệt độ sử dụng WIFI kết hợp giao thức
Internet of things”
Nội dung đồ án đƣợc trình bày trong 3 chƣơng:
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ INTERNET OF THINGS
VÀ GIAO TIẾP KHÔNG DÂY WIFI
CHƢƠNG 2: VI MẠCHESP8266 VÀ ỨNG DỤNG TRONG INTERNET
OF THINGS
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO
NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG WIFI KẾT HỢP GIAO THỨC INTERNET OF THINGS

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Trọng Thuần

1


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.3.1 Sơ đồ chuẩn mạng 802 ..............................................................................8
Hình 1.3.2 Phân lớp...................................................................................................10
Hình 1.3.3Vị trí khung Beacon .................................................................................11
Hình 1.3.4 Quét bị động ............................................................................................12
Hình 1.3.5 Quét chủ động .........................................................................................12
Hình 1.3.6 Xác thực hệ thống mở(OSA) ..................................................................13
Hình 1.3.7 Xác thực khóa chia sẻ .............................................................................15
Hình 1.3.8 Hoạt động của RTS/CTS.........................................................................18
Hình 1.3.10 Sơ đồ cách thức hoạt động của NAV ....................................................19
Hình 1.3.11 Một số loại IFS ......................................................................................20
Hình 1.3.12 Thời gian trễ do quá trình xử lý hồi đáp khung ở tầng vật lý và lớp
MAC ..........................................................................................................................20

Hình 1.3.13 Trao đổi khung dữ liệu và khung xác nhận ACK ................................22
Hình 1.3.14 Mơ tả phân đoạn khung .........................................................................23
Hình 1.3.15 Hai trạm cạnh tranh truy nhập...............................................................25
Hình 1.4.1: Cấu trúc của TCP/IP ..............................................................................26
Hình 1.4.2 Lớp Application ......................................................................................27
Hình 1.4.3 Gói dữ liệu trong lớp Transport ..............................................................29
Hình 1.3.4: Datagram trong lớp Internet ...................................................................31
Hình 1.3.5 : Sự phân mảnh của Datagram ................................................................32
Hình 1.3.6 : Cấu trúc Ethernet ..................................................................................33
Hình 1.3.7: Frame trong lớp Network Interface .......................................................34
Hình 2.1 Sơ đồ chân ESP8266 ..................................................................................37
Hình 2.2 Sơ đồ khối ESP8266EX .............................................................................38

2


Hình 2.3 Sơ đồ chân ESP8266EX .............................................................................38
Hình 2.4 Sơ đồ chân Winbond 25X10BVING .........................................................41
Hình 2.5 Sơ đồ khối Winbond 25X10BVING ..........................................................42
Hình 2.6 Phần mềm ESPlorer ...................................................................................43
Hình 2.7 Nạp chƣơng trình sử dụng phần mềm ESPlorer ........................................44
Hình 3.1 Mơ hình hệ thống .......................................................................................45
Hình 3.2 Sơ đồ khối phát ..........................................................................................46
Hình 3.3 sơ đồ kết nối giữa DS18B20với khối xử lý trung tâm ...............................46
Hình 3.4 Sơ đồ khối nguồn từ 12v xuống 5v ............................................................47
Hình 3.5 Sơ đồ mạch RELAY điều khiển thiết bị ....................................................48
Hình 3.6 Sơ đồ khối thu ............................................................................................48
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối thu ...........................................................................49
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý khối phát .........................................................................50
Hình 3.9 Mạch in phía thu.........................................................................................50

Hình 3.10 Mạch in phía phát .....................................................................................51
Hình 3.11 Mạch phía phát .........................................................................................51
Hình 3.12 Mạch phía thu ...........................................................................................51
Hình 3.13 Sơ đồ thuật tốn phía thu .........................................................................52
Hình 3.14 Sơ đồ ngun lý phía phát ........................................................................53
Hình 3.15 Giao diện Webserver ................................................................................54

3


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Sơ đồ chân ESP8266EX ............................................................................41
Bảng 2.2 Chức năng các chân Winbond 25X10BVING ..........................................42

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
ACK

Acknowledgement

Báo nhận

A – MPDU

Aggregate MAC protocol

Đơn vị dữ liệu giao thức

Data unit

MAC

AP

Access point

Điểm truy cập

BSS

Basic sevice set

Khối dịch vụ cơ bản

BW

Bandwidth

Băng thông

CFP

Contention free period

Khoảng thời gian tranh chấp
định kì

CSMA

Carrier sense multiple access

Đa truy nhập cảm nhận sóng
mang

CSMA/CA

CSMA/CD

Carrier sense multiple access

Đa truy nhập cảm nhận sóng

With collision detection

mang tránh đụng độ

Carrier sense multipe access

Đa truy nhập cảm nhận sóng

With collision detection

mang dị đụng độ

CTS

Clear to send

DS

Distribution System

DSSS

Direct sequence spread spectrum Trải phổ trực tiếp

Trung tâm điều phối

4


DTIM

Delivery traffic indication

Khoảng truyền tin giao vận

message
DCF

Distributed coordination

Chức năng phân phối hợp lý

function
ESS

Extended service set

Khối dịch vụ mở rộng

FCC

Federal Communications

Tổ chứ FCC

commission
FHSS

Frequency hopped spread

Trải phổ nhảy tần

spectrum
FTP

Flie transfer protocol

Giao thức truyền file

HTTP

Hypertext transfer protocol

Giao thức truyền siêu văn bản

IBSS

Independent BSS

BSS độc lập

LCC

Logic link control

MAC

Medium access control

MIMO

Multiple – input multiple –

Công nghệ MIMO

output
MPDU

MAC protocol data unit

Đơn vị dữ liệu giao thức
MAC

MSDU

MAC service data unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC

NAV

Network allocation vector

Véc tơ định vị mạng

OFDM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh ohaan chia theo

Multiplexing

tần số trực giao

PC

Point coordinator

Điểm điều phối

PLCP

Physical layer convergence

Giao thức hội tụ tầng vật lý

protocol

5


PCF

Point coordination function

Tùy chọn chức năng phối hợp
điểm

PHY

Physical layer

Tầng vật lý

PPDU

PLCP Protocol data unit

Đơn vị dữ liệu giao thức
PLCP

QoS

Quality of service

Chất lƣợng dịch vụ

RA

Receiver address

Địa chỉ máy thu

SMTP

Simple mail transfer protocol

Giao thức truyền thƣ điện tử

TS

Traffic stream

Lƣu lƣợng

TXOP

Transmit opportunity

Cơ hội truyền

WFA

Wi-Fi Alliance

Tổ chức Wifi

WLAN

Wireless local area network

Mạng cụ bộ không dây

6


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ INTERNET OF THINGS VÀ
GIAO TIẾP KHƠNG DÂY WIFI

1.1. Cơng nghệ Internet of things(IoT)
IoT là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tƣợng có thể đƣợc nhận biết
(identifiable) cũng nhƣ chỉ sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết
nối. Cụm từ này đƣợc đƣa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là một nhà khoa
học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn
toàn cầu cho RFID (một phƣơng thức giao tiếp khơng dây dùng sóng radio) cũng
nhƣ một số loại cảm biến khác. IoT sau đó cũng đƣợc dùng nhiều trong các ấn
phẩm đến từ các hãng và nhà phân tích.
Mạng lƣới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT (Internet of Things).Khi mà
mỗi đồ vật, con ngƣời đƣợc cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có
khả năng truyền tải, trao đổi thơng tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không
cần đến sự tƣơng tác trực tiếp giữa ngƣời với ngƣời, hay ngƣời với máy tính. IoT đã
phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và
Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau,
với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một cơng việc nào đó.
Một vật trong IoT có thể là một ngƣời với một trái tim cấy ghép, một chiếc
xe với bộ cảm ứng tích hợp cảnh báo tài xế khi bánh xe hoặc bất kỳ vật thể tự nhiên
hay nhân tạo nào mà có thể gán đƣợc một địa chỉ IP và cung cấp khả năng truyền
dữ liệu thông qua mạng lƣới. Cho đến nay, IoT là những liên kết máy-đến-máy

(M2M) trong ngành sản xuất, công nghiệp năng lƣợng, kỹ nghệ xăng dầu. Khả
năng sản phẩm đƣợc tích hợp máy-đến-máy thƣờng đƣợc xem nhƣ là thông minh.
Sự thông minh và tự động trong điều khiển thực chất không phải là một phần
trong ý tƣởng về IoT. Các máy móc có thể dễ dàng nhận biết và phản hồi lại mơi
trƣờng xung quanh (ambient intelligence), chúng cũng có thể tự điều khiển bản thân
(autonomous control) mà không cần đến kết nối mạng. Tuy nhiên, trong thời gian
gần đây ngƣời ta bắt đầu nghiên cứu kết hợp hai khái niệm IoT và autonomous
control lại với nhau. Tƣơng lai của IoT có thể là một mạng lƣới các thực thể thơng
minh có khả năng tự tổ chức và hoạt động riêng lẻ tùy theo tình huống, mơi trƣờng,
7


đồng thời chúng cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi thơng tin, dữ liệu.
Việc tích hợp trí thơng minh vào IoT cịn có thể giúp các thiết bị, máy móc,
phần mềm thu thập và phân tích các dấu vết điện tử của con ngƣời khi chúng ta
tƣơng tác với những thứ thơng minh, từ đó phát hiện ra các tri thứcmới liên quan
tới cuộc sống, môi trƣờng, các mối tƣơng tác xã hội cũng nhƣ hành vi con ngƣời.

1.2. Các giao thức trong IOT
Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tƣợng phải có thể đƣợc nhận biết
và định dạng (identifiable). Nếu mọi đối tƣợng, kể cả con ngƣời, đƣợc "đánh dấu"
để phân biệt bản thân đối tƣợng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể
hồn tồn quản lí đƣợc nó thơng qua máy tính. Việc đánh dấu (tagging) có thể đƣợc
thực hiện thông qua nhiều công nghệ, chẳng hạn nhƣ RFID, NFC, mã vạch, mã QR,
watermark kĩ thuật số... Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn
thơng băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee,hồng ngoại...
Ngồi những kĩ thuật nói trên, nếu nhìn từ thế giới web, chúng ta có thể sử
dụng các địa chỉ độc nhất để xác định từng vật, chẳng hạn nhƣ địa chỉ IP. Mỗi thiết
bị sẽ có một IP riêng biệt khơng nhầm lẫn. Sự xuất hiện của IPv6 với khơng gian
địa chỉ cực kì rộng lớn sẽ giúp mọi thứ có thể dễ dàng kết nối vào Internet cũng nhƣ

kết nối với nhau.

1.3. Tổng quan về giao thức WIFI
Chuẩn mạng khơng dây 802.11

Hình 1.3.1 Sơ đồ chuẩn mạng 802
IEEE 802.11 là chuẩn đặc tả mạng cục bộ không dây, sử dụng phƣơng pháp
8


truy nhập CSMA/CA.
Có hai loại mạng khơng dây cơ bản:
Kiểu Ad – hoc: Mỗi máy trong giao tiếp trực tiếp với nhau thông qua các
thiết bị không dây mà không dùng đến các thiết bị định tuyến (Wireless Access
Point).
Kiểu Infrastructure: Các máy trong mạng sử dụng một hoặc nhiều thiết định
tuyến hay thiết bị thu phát để thực hiên các hoạt động trao đổi dữ liệu với nhau.
Một mạng WLAN thơng thƣờng gồm có hai phần: Các thiết bị truy nhập không dây
(Wireless Clients), các điểm truy nhập (Acces Points - AP).
Phân lớp MAC cung cấp địa chỉ vật lý và điều khiển truy nhập kênh giúp cho
các trạm nằm trên cùng một mạng có thể liên lạc đƣợc với nhau. IEEE 802.11
thƣờng đƣợc xem nhƣ một Ethernet không dây, trong khía cạnh địa chỉ vật lý vào
truy nhập kênh, 802.11 rất giống với Ethernet IEEE802.3. Giống nhƣ một thành
viên trong họ quy chuẩn 802, IEEE802.11 sử dụng 48bit ô địa chỉ, vì vậy nó có khả
năng tƣơng thích với mạng Ethernet ở tầng liên kết dữ liệu. 802.11 MAC cũng hỗ
trợ chia sẻ truy cập mạng không dây thông qua một công nghệ gọi là đa truy nhập
cảm nhận sóng mang tránh đụng độ, carrier sense multiple access with collision
avoidance (CSMA/CA), cũng tƣơng tự với CSMA/CA của Ethernet. Với cả 2 công
nghệ trên, nếu kênh truyền rỗi, một trạm sẽ đƣợc phép truyền dữ liệu, nhƣng nếu
kênh truyền bận thì sau đó trạm phải ngừng truyền dữ liệu. Tuy nhiên trong q

trình xử lý Ethernet và 802.11 có đặc điểm khác nhau.
Với giao thức truy nhập kênh của Ethernet về bản chất là đợi đƣờng truyền
rỗi mới bắt đầu truyền, và nếu có đụng độ xảy ra trong khi truyền thì ngƣng truyền
và bắt đầu đếm lùi theo một khoảng thời gian ngẫu nhiên. Điều đó là khơng khả thi
để một thiết bị truyền có thể phát hiện một đụng độ trong khi truyền ở môi trƣờng
không dây. Do đó giao thức truy nhập kênh của 802.11 phải cố gắng tránh các đụng
độ. Khi đƣờng truyền rỗi, một trạm sẽ đợi theo một khoảng thời gian ngẫu nhiên
trong khi nó tiếp tục nghe trên đƣờng truyền, và nếu kết thúc khoảng thời gian đếm
ngẫu nhiên đó sẽ làm giảm đi cơ hội cho đụng độ xảy ra vì khi một trạm khác đợi để
9


truy cập vào đƣờng truyền sẽ có một khoảng đếm ngƣợc khác nhau, đó là cách tránh
đụng độ của CSMA/CA.
Cơ sở để hỗ trợ công nghệ CSMA/CA cũng dựa trên giao thức 802.11 MAC
và cũng gần giống với Ethernet.

1.3.1 Phân lớp giao thức
Một vài khái niệm cơ bản về phân lớp giao thức và truyền tin ta có thể xem
trong hình 2.1 để có thể hiểu đƣợc vai trị của lớp MAC. Trong cách phân lớp này,
mỗi thực thể, tầng vật lý và lớp MAC, cung cấp các dịch vụ tới các thực thẻ trong
lớp, dữ liệu đƣợc truyền giữa các lớp đƣợc gọi là đơn vị dữ liệu dịch vụ (Service
data unit: SDU). Lớp MAC nhận dữ liệu từ lớp LLC và trả lại dữ liệu cho lớp LLC
thông qua đơn vị dữ liệu lớp MAC(MAC SDU:MSDU). Tầng vật lý nhận dữ liệu từ
lớp MAC và trả lại dữ liệu cho lớp MAC trong một đơn vị dữ liệu tầng vật lý (PHY
SDU: PSDU).

Hình 1.3.2 Phân lớp
Vậy một giao thức chính là trung gian để các khối thực thể trong các lớp hay
tầng trao đổi dữ liệu và điều khiển thông tin với các khối ngang hàng. Sự trao đổi

này thông qua các thông tin điều khiển PDU(Protocol data unit) đƣợc thêm vào
trong q trình đóng gói dữ liệu qua các tầng. Lớp MAC trao đổi các MPDU với
các khối ngang hàng và tầng vật lý trao đổi các PPDU với các khối ngang hàng.
Một ví dụ khác thƣờng thấy trong chuẩn 802.11 là khi các trạm giao tiếp với nhau
qua lớp MAC và tầng vật lý trong các thiết bị cũng trên cơ sở các khối này.

1.3.2 Các chức năng điều khiển
10


BSS là khối kiến trúc cơ bản của 802.11 WLAN. Có hai loại BSS, BSS độc
lập (Independent BSS: IBSS), đây là loại mạng tùy biến (ad – hoc) kết hợp của các
trạm, chúng liên lạc trực tiếp với nhau. Loại thứ hai là BSS có hạ tầng mạng, loại
này đƣợc xây dựng bởi một AP có thể đã đƣợc kết nối với trung tâm điều phối (DS)
và thơng qua đó truyền tải đến các nơi, từ trạm tới trạm tới trạm rồi tới DS. Ở đây
chúng ta chỉ đề cập tới loại mạng có hạ tầng dù trên thực tế phần lớn là loại mạng
IBSS.
Một trạm sẽ nhận biết đƣợc sự tồn tại của BSS thơng qua dị qt bởi bản tin
thụ động Beacon sẽ đƣợc truyền đi để thăm dị sự tồn tại của một AP thơng qua một
thăm dò Request/Response trao đổi.
Một trạm là thành viên của một BSS theo một cách linh hoạt. Trạm này có
thể bật hoặc tắt, hay có thể di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của BSS. Một trạm có
thể trở thành 1 thành viên của một BSS bằng cách liên kết với BSS, và cũng có thể
tái liên kết với một trạm BSS. Trong một ESS bao gồm hạ tầng của nhiều BSS, một
trạm có thể di chuyển từ BSS này sang một BSS khác mà vẫn nằm trong ESS thông
qua việc liên kết lại.

1.3.2.1 Beacon
AP trong một BSS có hạ tầng định kì phát ra khung các Beacon quảng bá.
Khoảng thời gian định kì phát ra Beacon xác định một lịch trình cố định của khoảng

thời gian truyền tín hiệu Beacon (target beacon transmission time: TBTT) và khung
tin Beacon tự động truyền trên hoặc gần sát TBTT để có thể truyền đƣợc trên đƣờng
truyền trong khoảng rỗi. Hình 1.3.3 thể hiện rõ điều đó:

Hình 1.3.3Vị trí khung Beacon
Khung tin Beacon mang thông tin điều khiển và thông tin dung lƣợng cho quá trình
điều khiển BSS.

11


Hình 1.3.4 Qt bị động

1.3.2.2 Dị qt
Q trình dị qt là quá trình một trạm đi tìm một BSS và tƣợng trƣng cho
quá trình liên kết với BSS. Hai cách quét có thể là quét bị động và chủ động.
Quét bị động là chỉ xử lý nhận, đó là sự tự tƣơng thích với các miền. Với
quét bị động trạm sẽ tìm các khung truyền dẫn Beacon và chuyển các kênh để tìm
kiếm các khung truyền dẫn này. Khung Beacon bao gồm thông tin mã vùng, điện
năng truyền tải tối đa cho phép, và các kênh dùng để miền điểu khiển. Một trạm tìm
thấy AP thơng qua khung Beacon của nó và thơng tin điều khiển này, nó có thể
chứng tỏ AP trực tiếp thêm thông tin khi sử dụng một trao đổi thăm dị Probe
Request/Response nếu thơng tin bổ sung khơng đƣợc hiện diện ở khung Beacon.

Hình 1.3.5 Qt chủ động
Quét chủ động có thể đƣợc dùng khi nó đƣợc cho phép bởi miền điều khiển
khi trạm xử lý. Với quét chủ động một trạm truyền các khung Probe Request trên
mỗi kênh để tìm một BSS. Phụ thuộc vào phần lớn quá trình tìm kiếm, khung Probe
12

Request bao gồm các thông tin địa chỉ nhƣ sau:
-

SSID( service set identifier): SSID trong Probe Request có thể chính là SSID
trong ESS nơi trạm tìm kiếm BSS hoặc có thể là SSID đại diện.

-

BSSID(BSS identifier): BSSID trong khung Probe Request có thể chính là
một BSS cụ thể hoặc có thể là BSSID đại diện.

-

DA(destination address): DA của khung Probe Request là địa chỉ quảng bá
hoặc một địa chỉ MAC cụ thể của trạm phát sóng AP.

Một AP khi nhận một Probe Request quảng bá sẽ guwiur lại một Probe
Response tới trạm đã yêu cầu nếu các điều kiện sau đúng:
(a) SSID là SSID đại diện hoặc là SSID của ESS.
(b) BSSID là BSSID đại diện hoặc BSSID của AP
Các AP có thể sẽ hồi đáp Probe Request bằng cách dùng các thủ tục truy nhập
kênh thông thƣờng để tránh đụng độ

1.3.2.3 Xác thực
Xác thực là quá trình thực hiện bởi 2 trạm muốn thiết lập liên lạc với nhau cần
phải nhận biết lẫn nhau qua chấp nhận ngang hàng. Tiêu chuẩn 802.11 ban đầu đã
hỗ trợ hai phƣơng thức xác thực nhƣ sau: Hệ thống xác thực mở(OSA – Open
System Authentication) và xác thực khóa chia sẻ (SKA – Shared Key
Authentication).

A. Xác thực hệ thống mở (OSA)

Hình 1.3.6 Xác thực hệ thống mở(OSA)
Xác thực OSA là một phƣơng pháp xác thực rỗng và mặc định đƣợc cài đặt
trong các thiết bị WLAN. Xác thực rỗng nghĩa là một máy trạm có thể liên kết với
bất kì AP nào sử dụng xác thực OSA miễn là có cùng SSID. Quá trình xác thực
13


OSA diễn ra nhƣ sau:
a. Máy trạm gửi yêu cầu xác thực đến AP
b. AP gửi trả lời bằng khung ACK báo nhận.
c. AP gửi khung xác thực về phía máy trạm để khẳng định quá trình xác thực
hợp lệ.
d. Máy trạm gửi trả lời bằng khung ACK báo nhận. Q trình xac thực kết thúc.
WEP có thể đƣợc dùng cùng xác thực OSA. Tuy nhiên WEP chỉ đƣợc dùng để mã
hóa các dữ liệu lớp trên sau q trình xác thực và q trình liên kết hồn chỉnh.
Chính nhờ sự đơn giản của mình mà OSA thƣờng đƣợc sử dụng cùng một vài
phƣơng pháp bảo mật khác tiên tiến hơn nhƣ WPA, 802.1X/EAP cho các mạng yêu
cầu bảo mật cao.
B. Xác thực khóa chia sẻ (SKA)
Xác thực SKA sử dụng WEP để xác thực các máy trạm và yêu cầu các khóa
WEP tĩnh phải đƣợc cấu hình trên tất cả các máy trạm và AP. Quá trình xác thực
diễn ra nhƣ sau:
a. Máy trạm gửi khung tin yêu cầu xác thực đến AP.
b. AP gửi trả lời bằng khung ACK báo nhận.
c. AP gửi tiếp một khung xác thực thứ 2 trong đó có chứa một đoạn bản tin 128
octet dƣới dạng khơng mã hóa.
d. Máy trạm gửi bằng ACK báo nhận.
e. Máy trạm dùng WEP của mình thực hiện mã hóa đoạn bản tin 128 octet nhận

đƣợc từ AP sau đó gửi bản tin đã mã hóa vào khung xác thực thứ 3 trở về
AP.
f. AP gửi trả lời bằng khung ACK báo nhận.
g. AP thực hiện giải mã đoạn bản tin mã hóa nhận đƣợc từ máy trạm. Nếu đoạn
bản tin sau khi giải mã phù hợp với đoạn bản tin 128 octet khởi tạo lúc đầu
thì AP sẽ gửi khung xác thực cuối cùng về phía trạm khẳng định quá trình
xác thực hợp lệ. Trong trƣờng hợp không phù hợp, AP sẽ gửi khung xác thực
chỉ ra rằng khó WEP khơng hợp lệ, q trình xác thực không thành công.
Máy trạm gửi trả lời bằng khung ACK báo nhận. Quá trình xác thực kết thúc.
14


h. Máy trạm gửi trả lời bằng khung ACK báo nhận. Quá trình xác thực kết thúc.

Hình 1.3.7 Xác thực khóa chia sẻ
Xác thực SKA bảo mật kém hơn xác thực OSA. Trong q trình xác thực
SKA, khóa WEP đƣợc dùng để mã hóa đoạn bản tin 128 octet. Nếu có ngƣời muốn
xâm nhập trái phép vào mạng, ngƣời đó có thể dùng thiết bị nghe trộm để bắt và
phân tích các khung xác thực trao đổi giữa máy trạm và các AP để tìm khóa WEP
đƣợc dùng, sau đó dùng chính khóa này để kết nối vào mạng.

1.3.2.4 Q trình liên kết
Trƣớc khi một trạm đƣợc cho phép gửi dữ liệu thơng qua AP nó phải liên kết
với AP. Quá trình liên kết cung cấp một ánh xạ giữa trạm đó với AP, cho phép tin
nhắn trong DS tới AP mà trạm đó đƣợc liên kết và cuối cùng là tới chính trạm đó.
Khi đƣa ra một trạm bất đắc dĩ nhiên trong một thời điểm nó chỉ có thể liên kết với
một AP.
Quá trình liên kết đƣợc bắt đầu từ trạm khi trạm gửi một yêu cầu liên kết
(Association Request) tới AP. Nếu trạm này đƣợc kết nạp, AP sẽ hồi đáp liên kết
hồi phản hồi (Association Response). Bằng trao đổi Association Request và

Response, trạm và AP có thể trao đổi thông tin và AP sẽ đƣa thông tin của trạm đó
vào trong BSS.

1.3.2.5 Tái liên kết
Q trình tái liên kết hỗ trợ cho BSS về khả năng di động, cho phép một trạm
di chuyển từ vùng đang có liên kết với một AP để sang một vùng có AP khác nhƣng
vẫn thuộc một ESS. Điều này DS luôn giữ đƣợc ánh xạ giữa AP và trạm. Tái liên
kết có thể thay đổi một số thơng tin liên kết của trạm nhƣ thông tin dung lƣợng
15


trạm.
Quá trình tái liên kết đƣợc bắt đầu khi trạm gửi một yêu cầu tái liên kết
(Reassociation Request) tới AP. AP sẽ hồi đáp bằng liên kết một phản hồi
(Reassociation Response).

1.3.2.6 Ngắt liên kết
Q trình này có thể đƣợc thực hiên bởi cả AP và trạm. Trạm ngắt liên kết
khi rời khỏi mạng. Tuy nhiên khi mất kết nối, một khoảng thời gian sẽ cho phép AP
ngắt trạm đó mà không cần gửi tin thôi báo.
Để ngắt liên kết với một máy trạm từ BSS, AP hoặc trạm đó sẽ gửu một
khung tin ngắt liên kết (Disassocoation). Khung tin Disassocoation khơng phải là
một u cầu, nhƣ vậy phía đầu kia chỉ nhận một khung tin, không cần đáp lại.

1.3.3 Truy nhập kênh phân phối
Trong 802.11 MAC bao gồm 2 chức năng: Khối chức năng DCF (Distributed
Coordination Function) và PCF(Point Coordination Function).
DCF là phƣơng thức truy nhập cho phép tất cả các trạm trong một mạng WLAN
tranh chấp nhau nhằm dành quyền truy nhập vào mơi trƣờng truyền dẫn có tính chất
chia sẻ nhờ giao thức CSMA/CA. Các mơ hình mạng BSS – mơ hình có duy nhất

một AP và các máy trạm, ESS – mơ hình mở rộng của BSS cho phép nhiều AP và
các máy trạm.
IBSS – mơ hình này có thể khơng có AP mà chỉ có các máy trạm kết nối trực
tiếp với nhau, đều có thể sử dụng DCF. Các AP trong những mơ hình này hoạt động
tƣơng tự nhƣ hub ở mạng LAN 802.3 để truyền dữ liệu.
DCF là một chế độ truyền dẫn cho phép truyền các khung không xung đột
trong mạng WLAN bằng cách sử dụng thuật tốn thăm dị. Ƣu điểm của PCF là
đảm bảo khoảng thời gian trễ xác định vì vậy các ứng dụng yêu cầu QoS (nhƣ ứng
dụng thoại hay truyền hình thời gian thực) có thể sử dụng trên nền chế độ này. Khi
sử dụng PCF, AP sẽ đảm nhiệm chức năng thực hiện thuật tốn thăm dị do đó các
mạng ad – hoc (khơng có AP) khơng thể dùng đƣợc chế độ này. PCF phải đƣợc kết
hợp sử dụng với DCF.
16


Do môi trƣờng truyền dẫn là không dây nên môi trƣờng truyền là hal –
duplex vì vậy cần đảm bảo cùng 1 thời điểm chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trong
mơi trƣờng. CSMA/CA là giao thức nhằm đảm bảo điều đó, tuy nhiên thực tế vẫn
xảy ra khi hai thiết bị cùng truyền dẫn tại một thời điểm. CSMA/CA thực hiện
nhiều biện pháp để có thể giảm thiểu tối đa hiện tƣợng đó.
Chức năng cảm nhận sóng mang để xác định môi trƣờng truyền dẫn bận hay
rỗi, bao gồm cảm nhận vật lý nhờ mạch điện tử kiểm tra về cƣờng độ và tần số sóng
phản hồi để nhận ra sự xung đột hoặc cảm nhận logic nhờ vào sử dụng giao thức
RTS/CTS, trƣờng NAV, báo nhận ACK. Chức năng đa truy nhập nhằm đảm bảo tất
cả các trạm trong mạng WLAN đều có cơ hội ngang hàng trong tranh chấp. Chức
năng tránh xung đột nhằm đảm bảo tại một thời điểm chỉ có một thiết bị đƣợc quyền
truyền dữ liệu tránh tối đa xung đột nhờ sử dụng thời gian chờ ngẫu nhiên.
Giao thức RTS/CTS nhằm thực hiện chức năng cảm nhận sóng mang logic.
Cảm nhận sóng mang logic làm việc bằng cách sử dụng trƣờng NAV(Network
Allocation Vector: Vector định vị mạng) hoạt động nhƣ một bộ định giờ trên mỗi

máy trạm.
Khi một trạm muốn truyền dữ liệu, nó phải gửi một khung tin RTS dƣới
dạng quảng bá, khung này chứa trƣờng NAV thiết lập trên tất cả các trạm nghe
đƣợc nó một khoảng thời gian cần thiết để trạm này có thể hồn thành q trình
truyền dữ liệu của mình cộng thời gian nhận khung tin ACK trả lời từ trạm thu.
Trạm thu sau khi nhận đƣợc khung tin RTS sẽ đợi một SIFS( khoảng cách liên
khung ngắn) và gửi trả lời trạm phát bằng khung CTS dƣới dạng quảng bá.
Trạm phát nhận đƣợc CTS từ trạm thu lại đợi hết một SIFS và bắt đầu truyền
dữ liệu. Sau khi nhận đƣợc khung dữ liệu, trạm thu đợi hết một SIFS sẽ gửi trả lời
về trạm phát bằng khung ACK báo rằng mình đã nhận đủ dữ liệu.
Lúc này khoảng thời gian NAV ở các trạm khác vừa hết và tất cả lại tiếp tục
tham gia vào quá trình tranh chấp mới để dành quyền chiếm dụng môi trƣờng
truyền thông.
Nhƣợc điểm của giao thức RTS/CTS là chiếm dụng băng thông do truyền
17


các bản tin RTS và CTS dƣới dạng quảng bá. Vì lý do đó mặc định giao thức
RST/CTS khơng đƣợc phép hoạt động, chỉ trong một số trƣờng hợp cần thiết giao
thức này mới đƣợc bật lên. Khi môi trƣờng truyền dẫn trong mạng WLAN xảy ra
quá nhiều xung đột làm giảm băng thơng xuống mức bất thƣờng thì RTS/CTS sẽ sử
dụng( thƣờng là hậu quả của hiện tƣợng hidden node).

Hình 1.3.8 Hoạt động của RTS/CTS

Hình 1.3.9 Hoạt động của RTS/CTS với hai máy trạm không dây
Đối với thời gian chờ ngẫu nhiên NAV, sau khi máy trạm thực hiện cảm
nhận sóng mang theo các phƣơng pháp logic và vật lý, phát hiện thấy đƣờng truyền
rỗi và giá trị NAV =0 thì nó bắt đầu q trình tranh chấp đƣờng truyền trong một
khoảng thời gian gọi là một cửa sổ tranh chấp. Bắt đầu từ lúc này NAV chọn một

khoảng thời gian ngẫu nhiên. Giá trị này đƣợc chọn ngẫu nhiên từ 0 đến giá trị cửa
sổ tranh chấp đƣợc khởi tạo ban đầu. Giá trị cửa sổ tranh chấp khởi tạo khác nhau
phụ thuộc vào kỹ thuật trải phổ, nhƣ DSSS là 31 khe thời gian hay FSSS là 15 khe
thời gian. Cũng cần lƣu ý giá trị mỗi khe thời gian đối với FSSS là 50us còn đối với
DSSS là 20us. Sau khi chọn đƣợc một giá trị thời gian chờ, nó bắt đầu đếm ngƣợc,
sau mỗi khe thời gian giá trị thời gian này sẽ giảm đi một đơn vị.

18


Hình 1.3.10 Sơ đồ cách thức hoạt động của NAV
Trong suốt quá trình này, máy trạm liên tục thực hiện cảm nhận sóng mang
qua mỗi khe thời gian. Nếu phát hiện đƣờng truyền bận hay giá trị NAV đƣợc thiết
lập thì quá trình đếm lùi này sẽ ngừng và máy trạm sẽ quay lại giai đoạn cảm nhận
sóng mang. Nếu đến khi giá trị thời gian chờ này đếm ngƣợc về 0 mà vẫn khơng có
sự thay đổi trạng thái đƣờng truyền thì máy trạm sẽ bắt đầu truyền dữ liệu. Nếu sau
khi truyền dữ liệu mà máy trạm không nhận đƣợc bản tin ACK trả lời từ máy trạm
thu thì máy trạm này sẽ coi nhƣ đƣờng truyền có xung đột xảy ra.
Lúc này giá trị cửa sổ tranh chấp trong lần tiếp sau sẽ tăng lên theo công
thức: Tn=2*Tn-1+1. Giá trị lớn nhất của cửa sổ tranh chấp là 1023 khe thời gian.

1.3.4 Khoảng thời gian cơ bản truy nhập kênh
Chuẩn 802.11 có một số khoảng thời gian cơ bản xảy ra. Ta có thể xem
hình1.2.10. Khoảng cách liên khung ( The different inter-frame space: IFS) là thời
lƣợng cung cấp truy nhập một cách hiệu quả trên đƣờng truyền không dây tùy theo
mức độ ƣu tiên khác nhau.

19

Hình 1.3.11 Một số loại IFS

1.3.4.1 Khoảng cách liên khung ngắn SIFS
Khoảng cách liên khung ngắn SIFS dùng để tách riêng một khung hồi đáp từ
khung xin đƣợc hồi đáp, ví dụ khoảng giữa một khung dữ liệu và một bản tin phản
hồi ACK. SIFS đƣợc thiết kế ngắn nhất có thể nhƣng vẫn đủ để chứa các khoảng
thời gian chờ phát sinh trong khi thực thi một nhiệm vụ nào đó. Các khoảng cách
phát sinh này bao gồm giải quyết độ trễ trong tầng vật lý để giải điều chế các khung
tin nhận. Xử lý thời gian ở lớp MAC để khung nhận tin và xây dựng hồi đáp, thiết
bị truyền khởi động thời gian để gửi hồi đáp.

Hình 1.3.12 Thời gian trễ do quá trình xử lý hồi đáp khung ở tầng vật lý và lớp
MAC
SIFS cũng đƣợc dùng để tách riêng các khung trong khi bùng nổ dữ liệu. Các
trạm đang truy nhập trên đƣờng truyền sử dụng SIFS không cần phải kiểm tra nếu
đƣờng truyền bận, nhƣng đơn giản là chuyển sang trạng thái truyền (nếu không ở
trạng thái truyền) và bắt đầu truyền tại ranh giới của SIFS.Khoảng thời gian SIFS
cho các chuẩn 802.11a, 802.11b và 802.11n có giá trị bằng 16us.

20