Bài giảng Mạng không dây và di động - Chương 5: Mạng cục bộ không dây (WLAN) và mạng Ad hoc (MANET) - Trần Bá Nhiệm

Chương 5: Mạng cục bộ không dây (WLAN) và mạng Ad hoc (MANET) Nội dung chương • 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 sung 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 sung 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 sung 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 sung 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