WLAN
Giới thiệu
Tôpô của WLAN
Tầng vật lý
Tầng MAC
MANET
Giới thiệu
Ứng dụng của mạng ad hoc
Tầng mạng và định tuyến
41 trang |
Chia sẻ: Mr Hưng | Lượt xem: 644 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang nội dung tài liệu Kĩ thuật viễn thông - Chương 5: Mạng cục bộ không dây (WLAN) và mạng Ad hoc (MANET), để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Chương 5: Mạng cục bộ không dây (WLAN)
và mạng Ad hoc (MANET)
WLAN
Giới thiệu
Tôpô của WLAN
Tầng vật lý
Tầng MAC
MANET
Giới thiệu
Ứng dụng của mạng ad hoc
Tầng mạng và định tuyến
WLAN
Giới thiệu
Quyết định cho phép sử dụng công cộng băng ISM đã kích hoạt sự
phát triển của WLAN
Các sản phẩm không tương thích dẫn đến yêu cầu của một tiêu
chuẩn
Nhóm làm việc 802.11 chịu trách nhiệm phát triển một chuẩn
chung
Ba tiêu chuẩn thuộc nhóm 802.11 hoàn thành vào cuối năm 1999
WLAN
Lợi ích của mạng LAN không dây
Mạng có dây đòi hỏi kết nối cố định gây ra sự khó khăn cho việc
cài đặt mạng và không đáp ứng được nhu cầu di động
Không phải đi dây mạng giảm thời gian cài đặt và giá thành mạng
Sử dụng mạng LAN không dây giảm được các vấn đề bảo trì
đường dây như mạng ngừng hoạt động và giá thành thay đổi dây
WLAN
Các ứng dụng của WLAN
Mở rộng mạng LAN
Truy nhập không dây
Mạng ad hoc
Kết nối các mạng LAN
WLAN
Các vấn đề của mạng LAN không dây
Nhược điểm chính của truyền không dây là tỉ lệ lỗi bit cao, gấp khoảng
mười lần tỉ lệ đó của mạng LAN
Nhược điểm thứ hai là tôpô của mạng không thể xác định do vấn đề trạm
bị che giấu và trạm bị phô bày.
WLAN
Phát hiện lỗi không thể thực hiện được trong mạng WLAN
Nguồn điện cung cấp cho một trạm có giới hạn, cần giảm tiêu thụ
điện năng, thỏa hiệp giữa hiệu suất và duy trì nguồn
Rất nhiều giao thức được thiết kế cho mạng có dây. Ví dụ TCP sẽ
giảm hiệu suất hoạt động trong môi trường không dây
Cài đặt WLAN đòi hỏi phải tính đến môi trường trong đó tín hiệu
lan truyền
Bảo mật luôn là một vấn đề của mạng không dây
Các thành phần của 802.11
Station (trạm)
Wireless network interface
Laptop, thiết bị cầm tay, desktop
Access point (Điểm truy nhập)
Các khuông (frame) của mạng
802.11 phải được chuyển thành
các dạng khuông khác trước khi
gửi đi
Cầu (bridge)
Wireless medium (phương tiện
truyền dẫn không dây)
Sóng radio (Radio Frequency –
RF)
Tia hồng ngoại
Tôpô của mạng WLAN
Khối căn bản của mạng 802.11 là BSS (Basic Service Set) bao gồm một
nhóm các trạm truyền thông với nhau
BSS gồm có hai loại: Independent BSS (Ad hoc) và Infrastructure BSS
(BSS)
Tôpô của mạng WLAN
Ad hoc: Một số lượng không lớn các trạm lập ra mạng tạm
thời để trao đổi dữ liệu, vd. hội nghị, hội họp
BSS
Sử dụng AP (Access Point)
Hai trạm truyền thông cho nhau qua AP: cần 2 hop, từ MH đến AP
và từ AP đến MH
Các trạm phải nằm trong tầm phủ của AP
Ưu điểm của BSS
Sử dụng AP làm giảm sự phức tạp tại MH do không phải duy trì mối
quan hệ với các nốt liền kề trong mạng
AP có thể hỗ trợ các trạm giảm tiêu thụ điện bằng cách yêu cầu các
trạm tắt thiết bị thu phát
Tôpô của mạng WLAN
Extended Service Set – ESS -
Tập dịch vụ mở rộng
Cung cấp vùng phủ lớn hơn
Nối nhiều BSS với một
mạng xương sống, vd.
Ethernet
Tầng vật lý của 802.11
Phổ điện từ
Phần phổ điện từ được sử dụng trải từ 107 đến 1011 MHz có thể tăng
vùng phủ sóng nhưng giảm khả năng bảo mật và tăng sự giao thoa.
Khoảng phổ này được sử dụng bởi rất nhiều thiết bị, tăng thêm sự
giao thoa
Các sản phẩm của WLAN hoạt động với các băng tần ISM
và bắt buộc sử dụng kỹ thuật trải rộng phổ và điện năng
truyền phát thấp để giảm giao thoa
Các băng có tần số cao hơn ít nhiễu hơn và tác dụng sử
dụng tốt hơn
Phổ trải rộng được sử dụng trong WLAN do các ưu điểm
của nó. Thông tin truyền đi trải trên một băng thông rộng.
Tầng vật lý của 802.11
Frequency-hopping (FH) Spread Spectrum (SS)
Direct-sequence (DS) Spread Spectrum (SS)
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
Phổ trải rộng, Spread Spectrum
Là công nghệ truyền tín hiệu trên một khoảng tần số rộng
Frequency hopping (FH) Spread Spectrum (SS)
Sự thay đổi tần số truyền dựa
trên một mẫu xác định trước,
vd. {2, 8, 4, 6}
Tần số thay đổi theo thời gian
Mỗi tần số được sử dụng
trong một khoảng thời gian
ngắn gọi là thời gian chững
(dwell time)
FHSS
Tránh nhiễu với người sử dụng
sử dụng một tần số nhất định
Lần truyền trên khe thời gian
thứ 4 bị làm hỏng, nhưng 3 lần
truyền khác thành công
Các hệ thống nhảy tần có thể
chia sẻ băng
Cấu hình các mẫu nhảy tần
khác nhau: {2, 8, 4, 7}, {6, 3,
7, 2}
Mẫu nhảy trực giao,
orthogonal
Direct Sequence Spread Spectrum DHSS
Tín hiều truyền trên một dải tần rộng
Sử dụng bộ trải tần spreader để làm mỏng biên độ của tín hiệu băng hẹp
dọc theo dải tần rộng hơn
Sử dụng bộ tương liên correlator để phục hồi lại tín hiệu ban đầu
Quá trình tương liên trải rộng tín hiệu ồn noise
Direct Sequence Spread Spectrum DHSS
Điều biến áp dụng dãy chip: 11 chip
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDM
Để tránh lãng phí năng lực truyền, OFDM chọn các kênh
chồng chéo nhau nhưng không gây ra sự giao thoa giữa các
kênh
Các kênh được chọn dựa trên khả năng trực giao
802.11 MAC (Media Access Control)
802.11 dùng CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision
Avoidance để điều khiển sự truy nhập đến đường truyền (không
dây)
Distributed Foundation Wireless MAC (DFWMAC) – Distributed
Coordination Function (DCF)
Point Coordination Function (PCF): hỗ trợ lưu lượng đẳng thời,
không tranh chấp dựa trên DCF
802.11 bắt buộc phải thực hiện báo nhận cho từng khuông dữ liệu
DCF
Khi một trạm có dữ liệu truyền đi, trạm cảm nhận đường truyền và
truyền nếu đường truyền rảnh
Khi truyền khuông trạm không nghe đường truyền, khuông có thể
bị hỏng
Nếu trạm thấy đường truyền bận, chờ đến khi rảnh và bắt đầu
truyền
Khi có xung đột, tạm chờ một thời gian ngẫu nhiên cấp mũ
(Ethernet binary exponential backoff algorithm) và thử truyền lại
sau
DCF - MACAW
A muốn gửi cho B, C nằm trong vùng phủ sóng của A, D
nằm trong vùng phủ sỏng của B nhưng không trong vùng
phủ sóng của A
Giao thức
A gửi RTS cho B
B gửi CTS cho A
A gửi lại RTS cho B nếu không nhận được CTS khi đồng hồ hẹn
giờ đã hết
DCF - MACAW
Khi C nghe thấy RTS, C tự thêm vào kênh bận ảo, gọi là NAV
(Network Allocation Vector), chờ một thời gian bao gồm cả thời gian
truyền dữ liệu và ACK
D không nghe thấy RTS nhưng nghe thấy CTS, D cũng tự thêm NAV
Chế độ DCF Distributed Coordination
Function
Do đường truyền không tin cậy, có tỉ lệ lỗi bit cao, khuông có thể được
phân mảnh, các mảnh được đánh số và báo nhận
PCF
BS thăm dò các trạm và hỏi xem trạm có cần truyền dữ liệu
Không có xung đột
Chế độ PCF Point Coordination Function
BS đều đặn truyền quảng bá khuông báo hiệu để mời các trạm mới
đăng ký
BS cũng có thể yêu cầu trạm đi ngủ để tiết kiệm nguồn điện
DCF và PCF có thể cùng hoạt động nếu khoảng thời gian giữa các
khuông được sắp xếp thích hợp
SIFS (Short InterFrame Spacing): để gửi CTS, ACK
PIFS (PCF InterFrame Spacing): để BS gửi khuông báo hiệu
DIFS (DCF InterFrame Spacing): để các trạm có được kênh truyền
Mạng ad hoc
Mạng ad hoc đặc trưng bởi các
đặc điểm sau:
Một tập hợp các host hình
thành mạng ad hoc
Các host truyền tin sử dụng
các kênh không dây
Các nốt trong mạng ad hoc sử
dụng các nốt khác làm nốt
trung chuyển
Các nốt có thể đóng vai trò
như bộ định tuyến
Các host di động có thể
chuyển dịch vị trí
Mạng ad hoc
Tô pô của mạng ad hoc là một đồ thị trong đó các đỉnh là
các host, cạnh giữa hai host biểu thị sự trong phạm vi liên
lạc của hai host
Tên khác của mạng ad hoc là MANET (Mobile Ad hoc
NETwork)
MANET đã được xác định có các đặc tính:
Tô pô mạng động: Các nốt có thể di chuyển theo hướng bất kỳ
Băng thông giới hạn, mức độ sử dụng thay đổi, đường kết nối
không đối xứng
Nguồn năng lượng có giới hạn
Dễ bị ảnh hưởng do vấn đề an ninh
Một ví dụ của mạng ad hoc
Một nhóm các robot có khả năng truyền tin có nhiệm vụ tìm hiểu địa
hình và gửi các thông tin thu thập được
Các robot di chuyển và một robot cố định liên lạc với bên ngoài
Các robot tạo thành một mạng không có cơ sở hạ tầng
Các robot gửi thông tin điều khiển cho robot cố định và gửi hình ảnh
thu được về cho robot cố định
Một ví dụ của mạng ad hoc
Các vấn đề có thể xảy ra trong dàn cảnh trên:
Mạng bị phân tách do các host di chuyển hoặc mất gói tin
Vùng truyền thông hạn chế, do đó cần có sự hợp tác giữa các nốt để gửi đi
các gói tin
Tính chất truyền rộng dễ gây ra các vấn đề về an ninh
Năng lượng của pin có giới hạn
Tầng mạng
Vấn đề định tuyến tại tầng mạng được quan tâm đến nhiều
nhất do tính chất di động của các nốt trong mạng MANET
Tầng mạng cần giải quyết hai vấn đề cơ bản
Tìm ra đường đi từ nốt phát đến nốt nhận
Duy trì đường đi
Tìm hiểu một giao thức định tuyến
DSR Dynamic Source Routing
DSR - Giới thiệu
DSR là giao thức định tuyến cho mạng ad hoc, mạng không dây không
có cơ sở hạ tầng
DSR bao gồm hai cơ chế chính
Phát hiện đường đi (route discovery)
Duy trì đường đi (route maintenance)
Giao thức hoạt động theo nhu cầu
Định tuyến chỉ xảy ra khi có dữ liệu cần gửi
Các host không định tuyến bằng cách trao đổi các gói tin định kỳ
Cho phép có nhiều tuyến đến máy đích
Trong quá trình định tuyến các host có thể phát hiện và lưu đệm các
tuyến đến máy đích
DSR - Giả thiết
Các nốt trong mạng ad hoc tình nguyện chuyển tiếp gói tin cho các nút
khác trong mạng
Đường kính của mạng ad hoc là số các bước nhảy nhỏ nhất cần thiết
cho một nốt nằm ở rìa có thể liên lạc với một nốt nằm ở phía rìa bên
kia: vd. 2
Các nốt di chuyển với tốc độ vừa phải
Các nốt có thể hoạt động ở chế độ không phân loại (promiscuous - phần
cứng gửi mọi gói tin nhận được lên tầng mạng mà không lọc gói tin dựa
vào địa chỉ MAC)
DSR - Hoạt động của giao thức
DSR dùng định tuyến nguồn: mỗi gói tin gửi đi có trong phần tiêu đề
danh sách theo thứ tự các nốt mà gói tin sẽ đi qua
Phát hiện đường đi: là cơ chế để nốt S khi cần gửi dữ liệu cho nốt D có
được tuyến đến D
Duy trì đường đi: là cơ chế để nút S có thể phát hiện ra sự thay đổi của
tô pô mà tuyến đến D không thể sử dụng vì một đoạn kết nối nào đó bị
mất
Cơ chế phát hiện đường đi căn bản
Khi nút nguồn có gói tin gửi đến nút đích:
Nút nguồn tìm đường đi thích hợp trong bộ lưu đệm (route cache)
Thực hiện chu trình phát hiện đường đi nếu không tìm thấy tuyến trong bộ
lưu đệm
Nốt nguồn gửi đi gói tin yêu cầu tuyến (route request) cho mọi nốt
trong tầm
Gói tin yêu cầu tuyến chứa bản ghi tuyến (route record) liệt kê các nốt trên
tuyến, ban đầu chỉ gồm địa chỉ của nốt nguồn
Gói tin yêu cầu chứa địa chỉ của nút nguồn và định danh của yêu cầu để
phân biệt các gói tin yêu cầu, vd.
Cơ chế phát hiện đường đi căn bản
Khi một nốt nhận được gói tin yêu cầu tuyến, vd. B
Nếu nốt là địa chỉ đích, nốt gửi gói tin trả lời tuyến cho nốt khởi đầu định
tuyến, máy khởi đầu định tuyến lưu đệm đường đi để gửi các gói tin sau
Nếu nốt đã nhận được gói tin yêu cầu tuyến lặp lại, nốt loại bỏ gói tin
không xử lý
Nốt thêm địa chỉ của mình vào gói tin yêu cầu và truyền rộng đến các nốt
trong tầm, vd. B gửi cho C, C cho D, D cho E
Nốt đích khi gửi gói tin trả lời tuyến:
Tìm trong bộ lưu đệm tuyến đến nốt nguồn nếu có
Đảo ngược đường đi trong gói yêu cầu tuyến
Khởi động chu trình phát hiện đường đi đến nốt nguồn nhưng kèm theo gói
tin trả lời tuyến vào gói tin yêu cầu tuyến
Cơ chế phát hiện đường đi căn bản
Khi khởi động chu trình phát hiện đường đi:
Nốt nguồn lưu đệm các gói tin cần gửi khi chưa có tuyến vào bộ đệm gửi
(sending buffer) và đặt thời gian chấm dứt lưu (SendBufferTimeout)
Nốt nguồn thỉnh thoảng khởi động lại chu trình phát hiện đường đi cho các
gói tin trong bộ đệm gửi (exponential backoff: gấp đôi thời gian chờ cho
mỗi lần khởi động sau)
Cơ chế duy trì đường đi căn bản
Các nốt trên đường đi từ nguồn đến đích có trách nhiệm thông báo về
tình hình dữ liệu có truyền đến nốt tiếp theo được không, vd. A có trách
nhiệm cho đường kết nối từ A đến B, C - từ C đến D
Nếu nốt không nhận được báo nhận từ nốt tiếp theo, sử dụng báo nhận
của tầng MAC hoặc chính bản thân tầng mạng
Nốt cần loại bỏ đường kết nối không hoạt động trong bộ lưu đệm tuyến
Gửi gói tin tuyến lỗi (route error) cho tất cả các nốt đã gửi gói tin qua
tuyến lỗi, vd. cho A và cho các nốt sử dụng đường kết nối C-D
A xóa tuyến lỗi trong bộ lưu đệm tuyến
Tìm một tuyến mới trong bộ lưu đệm đến E
Hoặc khởi động chu trình phát hiện tuyến
Một số khả năng bổ xung cho phát hiện
tuyến
Lưu đệm thông tin nghe được về tuyến:
Nốt cần lưu đệm các tuyến trong:Gói tin dữ liệu, Gói tin yêu cầu tuyến,
Gói tin trả lời tuyến
Khi Nốt là nốt đích nhận được gói tin, Nốt là nốt trung chuyển, Nốt nghe
được thông tin truyền từ các nốt khác
Nếu đường truyền:
Hai chiều: lưu đệm tuyến theo cả hai chiều
Một chiều: chỉ lưu đệm tuyến từ nguồn đến đích
Một số khả năng bổ xung cho phát hiện
tuyến
Trả lời gói tin yêu cầu tuyến sử dụng các tuyến lưu đệm
Khi nốt nhận được gói tin yêu cầu tuyến:
Tìm tuyến yêu cầu trong bộ lưu đệm
Kết hợp tuyến trong gói tin yêu cầu với tuyến đến đích tìm thấy
Gửi gói tin trả lời tuyến cho nốt nguồn
Không được trả lời nếu có tuyến đến đích nhưng bản thân đã có trong
tuyến của gói tin yêu cầu
Một số khả năng bổ xung cho phát hiện
tuyến
Giới hạn bước nhảy trong yêu cầu tuyến
Giới hạn số các nốt trung chuyển được chuyển tiếp gói tin: Sử dụng TTL
(Time To Live)
Vd. TTL=1: tìm trong các nốt xung quanh tuyến đến đích đã được lưu
đệm: Nếu không nhận được trả lời, gửi yêu cầu tuyến rộng hơn
Một số khả năng bổ xung cho duy trì tuyến
Cứu gói tin: Khi nốt trung chuyển phát hiện đường truyền lỗi đến nốt
tiếp theo và nốt có tuyến lưu đệm đến đích, nốt có thể sử dụng tuyến
này để cứu gói tin
Số lần được cứu cần giới hạn, max xác định
Trước khi cứu gói tin, nốt trung chuyển cần gửi gói tin lỗi tuyến về cho nốt
nguồn
Tự động rút ngắn tuyến:
Khi một nốt trung chuyển nghe thấy một gói tin truyền bởi các nốt xung
quanh, nốt có thể điều tra tuyến trong gói tin
Nếu nốt không phải là nốt tiếp theo nhưng có tên trong phần tuyến xa hơn,
nốt có thể:
Tạo ra tuyến mới bằng cách nối phần tuyến bắt đầu từ nốt với phần tuyến kết
thúc tại nốt nghe được, vd. A-B-D-E
Thông báo cho nốt nguồn về tuyến rút ngắn
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- chuong_5_7881.pdf