Tài liệu Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại khoa nn đhtn

.. 1 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN Lời mở đầu Wifi - Wireless Fidelity là tên gọi mà các nhà sản xuất đặt cho một chuẩn kết nối không dây (IEEE 802.11), công nghệ sử dụng sóng radio để thiết lập hệ thống kết nối mạng không dây. Đây là công nghệ mạng đƣợc thƣơng mại hóa tiên tiến nhất thế giới hiện nay. Một mạng Internet không dây thƣờng gồm ba bộ phận cơ bản: điểm truy cập (Access Point - AP); card giao tiếp mạng (Network Interface Card - NIC); và bộ phận thu phát, kết nối thông tin tại các nút mạng gọi là Wireless CPE (Customer Premier Equipment). Trong đó, Access Point đóng vai trò trung tâm của toàn mạng, là điểm phát và thu sóng, trao đổi thông tin với tất cả các máy trạm trong mạng, cho phép duy trì kết nối hoặc ngăn chặn các máy trạm tham gia vào mạng. Một Access Point có thể cho phép tới hàng nghìn máy tính trong vùng phủ sóng truy cập mạng cùng lúc. Tuy nhiên, hệ thống mạng không dây tồn tại nhiều hạn chế : - Sóng của mạng không dây thực chất là sóng radio, thƣờng yếu dần khi khoảng cách giữa trạm phát và máy tính kết nối cách xa nhau. Sóng Wi-Fi cũng bị yếu khi gặp vùng nhiễu hoặc các vật cản. Thông thƣờng các thiết bị truy nhập Wi-Fi đƣợc trang bị hệ thống an-ten đa hƣớng (omni-directional antennas). Các an-ten này đƣợc thiết kế để truyền và nhận sóng từ mọi hƣớng và mọi thời điểm. Nếu một điểm phát sóng (Access Point - AP) giao tiếp với một ngƣời dùng (user) tại Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN vị trí cụ thể, các nguồn nhiễu xung quanh sẽ ảnh hƣởng đến khả năng truyền sóng, từ đó làm giảm tốc độ truyền cũng nhƣ độ ổn định của kết nối. - Trong các môi trƣờng văn phòng với nhiều vách ngăn và các thiết bị phát từ gây nhiễu, mức độ phủ sóng và khả năng duy trì kết nối của một AP có thể giảm, làm giảm hiệu suất truyền dữ liệu. Và hệ quả là trong phần lớn các doanh nghiệp đều tồn tại một hệ thống cáp mạng kết nối đến từng bàn làm việc, nhằm đảm bảo quá trình làm việc không bị gián đoạn. Chính vì vậy, hệ thống mạng không dây thƣờng không đƣợc nhiều doanh nghiệp lƣ̣a chọn làm phƣơng tiện kết nối chính trong quy trình hoạt động. Một giải pháp đƣợc đƣa ra nhằm kh ắc phục các hạn chế của mạng không dây là xây dựng một hệ thống mạng lƣới không dây (Wireless Mesh network ) nhằm nâng cao hiệu suất mạng và tăng tính linh hoạt của mạng cục bộ . 1- Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2.1. Đối tƣợng Nghiên cƣ́u tổng quan về kiến trúc hệ thống mạng lƣới không dây. Bài toán đặt gateway trong mạng lƣới không dây . Tìm hiểu các vấn đề về mạng không dây để triển khai nâng cấp lên hệ thống mạng lƣới không dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN 2.2. Phạm vi nghiên cƣ́u Hệ thống mạng không dây và hệ thống mạng lƣới không dây . 3- Hƣớng nghiên cƣ́u luận văn Tìm hiểu chi tiết về hệ thống mạng lƣới không dây Cách thức triển khai hệ thống 4- Phƣơng pháp nghiên cƣ́u Thu thập, phân tích và tổng hợp các tài liệu, thông tin có liên quan đến luận văn. 5- Ý nghĩa khoa học của đề tài - Là tài liệu tham khảo về lĩnh vực mạng lƣới không dây. - Thử nghiệm và ứng dụng của việc triển khai tại Khoa Ngoại ngƣ̃ – Đại học Thái Nguyên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN CHƢƠNG 1 KIẾN TRÚC CỦA MẠNG LƢỚI KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu về mạng lƣới không dây Khái niệm mạng hình lƣới (Mesh Network) nói chung đƣợc sử dụng trong một số lĩnh vực của ngành công nghệ thông tin. Kỹ thuật mạng hình lƣới là cách thức truyền tải dữ liệu, âm thanh và câu lệnh giữa các nút xử lý, cho phép truyền tải liên tục và tự xác định lại cấu hình xung quanh đƣờng đi bị che chắn bằng cách “nhảy” từ nút này sang nút khác cho đến khi thiết lập đƣợc kết nối. Mạng lƣới 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 lƣợng kết nối mạng kém. Trong lĩnh vực mạng không dây, mạng lƣới đƣợc 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 lƣới. Nếu một nút có thể kết nối với một nút lận cận khác thì sẽ có kết nối với toàn mạng. Mạng WMN chuyển tiếp dữ liệu gói thông qua các chặng vô tuyến. Mỗi một nút lƣới hoạt động giống nhƣ một điểm chuyển tiếp hay một router với các nút lƣới khác trong mạng. Mạng WMN đƣợc dùng trong những mô hình nhƣ mạng truy nhập công cộng và những mạng không dây trong thành phố nơi mà các điểm truy cập là các nút lƣới của mạng. Mạng ngoài (Internet) Gateway Mesh Router AP Station ` Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN Hình 1.1: Mô hì nh mạng lưới không dây Sự tin cậy và hiệu năng của mạng là 2 tiêu chí chính của mạng WMN, đặc biệt trong môi trƣờng kênh vô tuyến. Tính di động của nút mạng thƣờng không đƣợc xem xét đến. Những nút cố định có thể nằm trên những đế đèn, hay gắn liền đối với nhà cửa, v.v… , nơi đƣợc cung cấp năng lƣợng đầy đủ. Nhƣ vậy, các giao thức định tuyến có thể đƣợc tối ƣu theo sự tin cậy và hiệu năng của mạng. Các giao thức định tuyến có thể đƣợc mở rộng để sử dụng những tham số định tuyến đặc biệt. Và thậm chí chúng có thể nằm trên lớp 2 để có thể truy cập tốt hơn thông tin lớp MAC và lớp vật lý. Các nút mắt lƣới có thể có nhiều giao diện vô tuyến để gia tăng khả năng của mạng mắt lƣới không dây. Các giao diện vô tuyến giảm thiểu sự suy giảm thông lƣợng bởi các gói nhận và chuyển tiếp tuần tự trong các nút mắt lƣới với chỉ một giao diện vô tuyến. Điều này cũng có thể sử dụng nhiều kênh. Dung lƣợng tuỳ biến của mạng WMN là giới hạn nhƣng sự cài đặt đơn giản và tính mềm dẻo vẫn là những ƣu điểm của mạng. Gần đây các thiết bị khách hàng ngày càng đóng vai trò nhƣ là một nút mắt lƣới. Điều này mở rộng mạng WMN về vùng mạng tuỳ biến không dây cổ điển. Có 3 kiểu mạng WMN, đó là : WMN hạ tầng, WMN khách hàng, và WMN lai ghép. WMN hạ tầng bao gồm các thiết bị chuyên dụng của hạ tầng mạng, nhƣ là các điểm truy nhập hay chuyển tiếp. Các thiết bị khách hàng không tham gia vào việc định tuyến ở nút lƣới. Thay vào đó , chúng kết nối vào các điểm truy nhập bằng công nghệ truy nhập vô tuyến truyền thống. WMN khách hàng bao gồm các thiết bị khách hàng nhƣ máy tính xách tay. Các thiết bị khách hàng tham gia vào việc định tuyến ở nút lƣới. Hơn nữa chúng có thể thực hiện chức năng nhƣ một thiết bị hạ tầng. WMN lai ghép bao gồm cả hai loại thiết bị trên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN Các mạng mesh không dây là tập hợp các node cố định và di động kết nối thông qua các liên kết không dây để tạo nên một mạng không dây đa chặng (multihop). Trong khi các mạng không dây truyền thống nhƣ WLAN, WAN, mạng tế bào cần có một thiết bị trung tâm (điểm truy cập hoặc trạm cơ sở) cho truyền thông không dây, mạng WMN không cần một thiết bị trung tâm nhƣ vậy. Trong mạng WMN, mỗi node đóng vai trò là máy khách và router. Nó chuyển tiếp các gói tin tới các node khác khi máy nguồn và máy đích cách nhau nhiều hơn một chặng. Mạng WMN có khả năng tự cấu hình và tự tổ chức. Khi một node tham gia vào mạng hay dời đi khỏi mạng, mạng có khả năng cấu hình lại để thích nghi với những thay đổi trong mạng. Thiết lập mạng là tự động và trong suốt đối với ngƣời dùng. Khi thêm một node vào mạng, node này sẽ tự động tìm các router không dây khác và đƣờng tới mạng có dây. Các router không dây trong mạng cũng tự cấu hình lại cho phù hợp. Vì lý do này mà mạng WMN có thể dễ dàng mở rộng. Các lợi ích của mạng WMN Ngày nay các kết nối Internet băng thông rộng sử dụng dây cáp hay các đƣờng thuê bao số (DSL) . Tuy nhiên, một số lƣợng lớn dân số (đặc biệt ở các vùng nông thôn, các thành phố lớn, thậm chí ở các nƣớc đã phát triển) không có cơ sở hạ tầng băng thông rộng cần thiết (dây cáp vô tuyến hay dây cáp điện thoại chất lƣợng tốt) để kết nối Internet. Hơn nữa việc cài đặt các cơ sở hạ tầng yêu cầu (đặc biệt là việc cài đặt các dây cáp mới) là cực kỳ đắt đặc biệt là đối với các nhà cung cấp dịch vụ Internet ISP. Các mạng WMN cung cấp công nghệ truy cập Internet băng thông rộng với rất nhiều lợi ích: Đầu tư ban đầu thấp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN Vì không cần cài đặt cáp, kinh phí đầu tƣ ban đầu giảm đi đáng kể. Một mạng WMN cơ bản cung cấp một vùng phủ tối thiểu có thể đƣợc sử dụng để phục vụ các khách hàng đầu tiên; khi số khách hàng tăng lên, mạng có thể đƣợc nâng cấp lên. Ngoài ra, các sóng radio 802.11 đã trở nên khá rẻ nhƣng các sóng radio vẫn là một trong những phần đắt nhất của một mạng. Trong khi đó, mỗi node trong mạng mesh hoạt động vừa nhƣ một client vừa nhƣ một repeater, nhƣ vậy sẽ tiết kiệm đƣợc số các radio cần thiết. Độ phủ khách hàng cao Vì khả năng định tuyến đa chặng của mạng, client không cần phải kết nối trực tiếp với một trạm cơ sở đơn miễn là một client có kết nối tới bất kỳ một client khác, nó có thể truy cập tới Internet. Ngƣời ta đã chỉ ra rằng, đặc biệt đối với các trƣờng hợp có vật cản lớn (tòa nhà cao tầng hay cây cối), một mạng WMN có thể tăng độ phủ của mạng lên đáng kể so với một giải pháp điểm-tới-nhiều điểm (ví dụ IEEE 802.16). Dễ dàng và đơn giản Các router đƣợc cấu hình tự động, nên việc cài đặt là đơn giản. Thêm một khác hàng mới tới vào một mạng WMN đã tồn tại có thể chỉ mất vài giờ đồng hồ thay vì vài tháng khi cài đặt các dây mới cho cáp hay DSL. Tin cậy Đặc trƣng của topo mesh và định tuyến adhoc làm cho mạng có khả năng đối phó đƣợc với những thay đổi của điều kiện môi trƣờng và lỗi xảy ra ở các node. Đặc biệt nếu đa gateway đƣợc sử dụng, tất cả các điểm lỗi đơn bị loại bỏ. Một giao thức định tuyến có thể định tuyến lại nhanh chóng xung quanh điểm hoặc node bị lỗi, và trong trƣờng hợp gateway lỗi, nó có thể phân phối lại các node cho gateway gần nhất. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN Năng lượng Các node của một mạng mesh – ngoại trừ những node duy trì một đƣờng up-link với Internet - có thể đƣợc xây dựng với yêu cầu năng lƣợng thấp. Tích hợp Mạng WMN có thể dễ dàng tích hợp với các công nghệ mạng đã có (mạng tế bào, mạng Wi-Fi, Wi-MAX, mạng cảm biến). 1.2 Kiến trúc của mạng lƣới không dây Kiến trúc của mạng lƣới là một bƣớc đầu tiên để hƣớng tới việc cung cấp chi phí hiệu quả và năng động cao hơn một khu vực phủ sóng cụ thể. Kiến trúc lƣới duy trì cƣờng độ tín hiệu bằng cách phá vỡ những khoảng cách xa vào một loạt các bƣớc nhảy ngắn hơn. Mạng lƣới không dây có một cấu trúc liên kết tƣơng đối ổn định, ngoại trừ cho sự thất bại thƣờng xuyên của các nút, bổ sung các nút mới. 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 nhƣ tìm đƣợc đƣờng đi tối ƣu hay không là nhờ vào giao thức truyền dữ liệu giữa các nút xử lý trong mạng. Có một số kỹ thuật đang đƣợc đề xuất làm giao thức truyền thông cho mạng lƣới nhƣ: AODV (Ad-hoc On Demand Distance Vector), PWRP (Predictive Wireless Routing Protocol), OLSR (Optimized Link State Routing Protocol), TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm),... Mạng Mesh thƣờng sử dụng sơ đồ kết nối dạng “ từ ngƣời sử dụng đến ngƣời sử dụng” (peer to peer) hoặc “ thông tin đa chiều – vừa gửi vừa nhận” (many to many). Để có thể cập nhật và tối ƣu hóa mỗi kết nối liên tục theo thời gian thì về lý thuyết, một mạng Mesh cho phép tất cả các thiết bị trong mạng hoạt động nhƣ một router và một bộ lặp repeater đối với tất cả các thuê bao. Do đó, thêm một bƣớc nhảy nữa từ một bộ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN định tuyến đến một bộ định tuyến kế tiếp trƣớc khi đạt đến điểm backhaul để kết nối tới một mạng lớn hơn. Mạng Mesh có thể đƣợc triển khai với một trong hai cấu hình: dạng mesh toàn phần và dạng mesh một phần. Trong một mạng Mesh toàn phần, mỗi một nút đƣợc kết nối trực tiếp với những nút khác; trong khi đó, trong cấu hình Mesh một phần, mỗi một nút đƣợc kết nối trực tiếp tới chỉ một số nút khác. Mạng WMN bao gồm hai loại node: mesh router và mesh client. Mesh router: Có chức năng định tuyến các gói tin trong mạng. Chúng có một số giao diện không dây có thể có công nghệ giống nhau hoặc khác nhau. Hơn nữa chúng có chức năng của gate/bridge làm cho mạng có khả năng tích hợp với các mạng không dây đã có nhƣ mạng tế bào, Wi-Fi, Wi-MAX, mạng cảm biến (sensor network). Mesh client: Là các thiết bị không dây nhƣ laptop, máy tính để bàn, PDA, Pocket PC, điện thoại cầm tay đƣợc trang bị một card giao diện mạng không dây (NIC) và có thể kết nối trực tiếp tới các mesh router. Các máy khách không có NIC không dây có thể truy cập vào mạng bằng cách kết nối với các mesh router thông qua Ethernet. Có 3 loại kiến trúc mạng WMN: mạng infrastructure mesh, mạng client mesh và mạng mesh lai. Mạng Infrastructure mesh Trong kiến trúc này các mesh router hình thành nên mạng mesh cung cấp đƣờng backbone cho các máy client và có khả năng tích hợp các mạng không dây đã có nhƣ mạng Wi-Max, Wi-Fi, mạng tế bào, mạng cảm biến. Các client có thể kết nối với mạng WMN thông qua kết nối có dây hoặc không dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN Hình 1.2: Mạng Infrastructure mesh Mạng client mesh Trong mạng client mesh, các client kết nối trực tiếp với nhau và hình thành nên mạng ngang hàng. Không cần có mesh router trong kiến trúc này. Các client có chức năng của cả các router nhƣ định tuyến và tự cấu hình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN Hình 1.3: Mạng client mesh Mạng mesh lai Mạng mesh lai là kết hợp của kiến trúc infrastruture mesh và client mesh. Các mesh router cung cấp đƣờng backbone cho kết nối tới các mạng không dây khác. Các client khong dây có thể truy cập tới mạng WMN bằng việc kết nối trực tiếp tới các mesh router hoặc các client khác. Hình 1.4: Mạng mesh lai Đị nh tuyến trong WMN Dù đã có nhiều giao thức định tuyến cho mạng tuỳ biến không dây, những giao thức định tuyến cho WMN vẫn đƣợc tích cực nghiên cứu vì vài lý do sau:  Trong đa số WMN, nhiều nút ở một chỗ hay ít di chuyển và không phụ thuộc vào nguồn pin. Do đó, những thuật toán định tuyến không cần chú ý vào việc đối phó với sự di động hay tối thiểu dùng nguồn nuôi.  Khoảng cách giữa những nút có lẽ đã đƣợc ngắn lại ở một WMN, do vậy gia tăng chất lƣợng liên kết và tốc độ truyền. Tuy nhiên, những khoảng cách ngắn cũng tăng ảnh hƣởng giữa các chặng, giảm bớt dải thông sẵn có trên mỗi mối liên kết. Bởi vậy, những tham số định tuyến mới cần đƣợc tìm hiểu và dùng để Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN cải thiện hiệu năng của những giao thức định tuyến ở một mạng WMN với nhiều chặng và nhiều đƣờng truyền vô tuyến.  Đối với mạng WMN có nhiều kênh và nhiều đƣờng truyền vô tuyến, giao thức định tuyến không những cần thiết để lựa chọn đƣờng đi trong những nút khác nhau, mà còn cần thiết để lựa chọn kênh thích hợp nhất hay đƣờng truyền vô tuyến cho mỗi nút lƣới. Bởi vậy, những tham số định tuyến cần đƣợc tìm hiểu và đƣợc dùng để tận dụng nhiều kênh, nhiều đƣờng vô tuyến trong một mạng mắt lƣới không dây.  Trong một mạng WMN, sự thiết kế xuyên lớp là cần thiết vì sự thay đổi của một đƣờng định tuyến sẽ liên quan đến chuyển mạch kênh vô tuyến trong nút lƣới nhiều kênh và nhiều đƣờng truyền vô tuyến. Dựa trên hiệu năng của các giao thức định tuyến đang dùng cho mạng tuỳ biến và những yêu cầu đặc biệt của mạng WMN, giao thức định tuyến tối ƣu cho WMN cần đạt đƣợc những yêu cầu sau: Dung sai lỗi: Một vấn đề quan trọng của các mạng là khả năng sống của mạng. Khả năng sống của mạng là khả năng hoạt động của mạng thậm chí khi có nút hoặc liên kết bị lỗi. WMN có thể bảo đảm chắc chắn chống lại lỗi liên kết bởi tự nhiên gây ra. Tƣơng ứng là giao thức định tuyến cũng nên hỗ trợ chọn đƣờng lại tuỳ vào các liên kết lỗi. Cân bằng tải: Các bộ định tuyến vô tuyến cho mạng mắt lƣới tốt cho cân bằng tải bởi vì chúng có thể lựa chọn đƣờng đi hiệu quả nhất cho dữ liệu. Giảm thiểu tiêu đề định tuyến: Sự bảo vệ băng thông là bắt buộc cho sự thành công của bất kì mạng vô tuyến nào. Giảm thiểu tiêu đề định tuyến là điều quan trọng, đặc biệt bởi một nguyên nhân tái quảng bá. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN Khả năng mở rộng: Mạng mắt lƣới có khả năng mở rộng và có thể kiểm soát hàng trăm hàng nghìn nút. Bởi vì nhà điều hành mạng không phụ thuộc vào một điểm điều khiển trung tâm, cộng thêm các điểm thu thập dữ liệu hoặc gateway là rất tiện lợi. Điều quan trọng cho mạng WMN với hàng nghìn nút là hỗ trợ khả năng mở rộng trong các giao thức định tuyến. Hỗ trợ QoS: Để giới hạn dung lƣợng kênh, ảnh hƣởng của xuyên nhiễu, số lƣợng lớn các ngƣời dùng và sự nổi trội của các ứng dụng đa phƣơng tiện thời gian thực, việc hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ (QoS) trở nên một yêu cầu quyết định trong các mạng nhƣ vậy. 1.3 Vấn đề đặt Gateway trong mạng lƣới không dây Mạng lƣới không dây (WMN) đang ngày càng trở nên phổ biến nhƣ một phƣơng tiện kết nối internet đơn giản và tiện lợi hơn m ạng dây dành cho ngƣời sử dụng. Trong những mạng đa chặng (multi-hop) kiểu này, dữ liệu đƣợc chuyển từ các nút mạng đến cổng hoặc từ cổng đến các nút mạng. Vị trí của cổng thực sự có ảnh hƣởng quan trọng đến lƣu lƣợng thông tin của mạng. Vì thế, vị trí của cổng trở nên rất quan trọng trong hệ thống mạng lƣới không dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN Hình 1.5: Mạng WMN với các nút mạng được sắp xếp ngẫu nhiên Mạng WMN với các nút mạng được sắp xếp ngẫu nhiên Giả sử rằng tất cả các nút đều có khả năng nhƣ nhau, tất cả các nút đều sử dụng ăng ten đẳng hƣớng với khả năng truyền dữ liệu và tần số nhƣ nhau. Ta có thể nhậ n thấy lƣu lƣợng dữ liệu tối đa và lƣu lƣợng dƣ̃ liệu tối thiểu của một mang WMN có giới hạn trên là A/N (A là lƣợng thông tin tối đa có sẵn trong một nút mạng ), và lƣu lƣợng tối đa có thể đạt tới ko phụ thuộc và vị trí của cổng. Tuy nhiên, giới hạn này chỉ có thể đạt tới khi có một năng lƣợng truyền tải cực lớn. Nhìn chung, các nút không thể sử dụng năng lƣợng quá lớn vì chúng bị giới hạn bởi các quy tắc. Khi năng lƣợng truyền tải đƣợc sử dụng ở mức thấp hoặc trung bình, lƣu lƣợng dữ liệu tối đa và tối thiểu thấp hơn nhiều so với giới hạn ở trên. Với các loại mạng khác nhau, vị trí của cổng có ảnh hƣởng quan trọng đến lƣu lƣợng dữ liệu có thể đạt tới ở mức độ năng lƣợng thấp đến trung bình. Tuy nhiên, cần rất nhiều những phép toán phức tạp để có thể tìm ra vị trí tốt nhất cho cổng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN 1.4 Kết luận Wireless mesh network là một hệ thống mạng đảm bảo đƣợc yêu cầu kết nối linh động về số lƣợng và vị trí ở mức cao. Trong WMN, vấn đề đị nh tuyếncó thể đƣợc di ễn giải thành hai phần. Đó là sử dụng an-ten phát sóng có định hƣớng đến user trong từng AP, đồng thời sử dụng nhóm các AP tự động định tuyến với nhau trong cùng hệ thống mạng. Mục đích chính của công nghệ này nhằm tối ƣu hóa khả năng kết nối giữa AP và user, cũng nhƣ thiết lập kết nối không dây tối ƣu giữa các AP với nhau, từ đó giảm số lƣợng AP cần thiết và tiết kiệm chi phí cho DN. Để định hƣớng đến user, các AP thông minh (SmartAP) trong hệ thống Wireless Mesh Network có cấu tạo tích hợp hệ thống “an-ten rắn” với nhiều thành tố an-ten khác nhau, có khả năng kết hợp thành nhiều dạng thức an-ten chuyên biệt (antenna patterns). Các dạng thức này cho phép SmartAP tập trung tín hiệu radio hƣớng trực tiếp đến từng user, thay vì phát tán trên một vùng rộng nhƣ mô hình AP truyền thống. Điều này cũng tƣơng tự nhƣ việc tập trung ánh sáng thành luồng của đèn pin so với phát tán ánh sáng của bóng đèn tròn. Kiến trúc của hệ thống WMN bao gồm 03 kiến trúc cơ bản là mạng Infrastructure , mạng client mesh và mạng mesh lai . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN CHƢƠNG 2 NGHIÊN CƢ́U KIẾN TRÚC MẠNG WLAN – WIMAX 2.1 Đặt vấn đề Do mạng WMN đƣợc phát triển dƣ̣a trên nền tảng cở sở của 2 mạng Wlan và Wimax nên trong luận văn này tôi xây dƣ̣ng hệ thống mạng lƣới không dây WMN trên cơ sở kiến trúc của 2 hệ thống mạng trên. 2.2 Kiến trúc mạng Wlan 2.2.1 Mạng WLAN theo chuẩn 802.11 WLAN có hai dạng cơ bản là WLAN có cơ sở hạ tầng (infrastructuredbased) và WLAN không có cơ sở hạ tầng (mạng adhoc). Mạng không dây có tính linh hoạt cao do hai dạng này luôn đƣợc sử dụng kết hợp với nhau. Nghĩa là các máy tính có thể trao đổi dữ liệu qua một Base Station hoặc cũng có thể truyền thông trực tiếp với nhau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN Hình2.1:mô hì nh mạng WLAN 2.2.2 Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng, các nút mạng truyền thông đƣợc với nhau đều phải thông qua điểm truy cập chung AP (Access Point), nó còn có một tên gọi khác nữa là trạm cơ sở - BS (Base Station). Các base station không chỉ cung cấp khả năng kết nối mạng mà nó còn có chức năng chuyển tiếp, điều khiển các truy cập đƣờng truyền. Ngoài ra, các base station còn thƣờng đƣợc kết nối với các mạng có dây nên nó đóng vai trò nhƣ là cầu nối các mạng không dây và có dây với nhau tạo thành một mạng diện rộng. Tốc độ truyền dữ liệu của mạng không chỉ phụ thuộc vào đặc điểm của các nút mạng mà còn phụ thuộc vào bán kính phủ sóng của các AP. Các nút mạng càng gần AP thì tốc độ truyền dữ liệu càng cao. Do đó, việc lựa chọn tốc độ truyền và phạm vi hoạt động cần phải cân nhắc, khi đó ảnh hƣởng trực tiếp tới sự bố trí của các AP. 2.2.3 Mạng adhoc Các thiết bị di động (máy tính có hỗ trợ card mạng không dây) tập trung lại trong một không gian nhỏ để hình thành nên kết nối ngang cấp (peer-to-peer) giữa chúng. Các thiết bị này có thể trao đổi thông tin trực tiếp với nhau, không cần phải quản trị mạng. Vì việc thiết lập các mạng adhoc này có thể thực hiện nhanh và dễ dàng nên chúng thƣờng đƣợc thiết lập mà không cần một công cụ hay kỹ năng đặc biệt nào vì Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 18 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN vậy nó rất thích hợp để sử dụng trong các hội nghị thƣơng mại hoặc trong các nhóm làm việc tạm thời. Tuy nhiên chúng có thể có những nhƣợc điểm về vùng phủ sóng bị giới hạn, mọi ngƣời sử dụng đều phải nằm trong vùng có thể “nghe” đƣợc lẫn nhau. 2.2.4 Kiến trúc giao thức mạng WLAN theo chuẩn 802.11 802.11 là một trong những chuẩn thuộc họ 802.x – là họ chuẩn cho các mạng LAN. IEEE802.11 có nhiều chuẩn nhƣng phổ biến nhất hiện nay là ba chuẩn 802.11 a/b/g:  Chuẩn 802.11b: Hoạt động ở dải tần 2.4 GHz, tốc độ truyền dữ liệu là 11Mbps, là dải tần dành cho công nghiệp, khoa học và y tế - ISM (Industrial, Scientific và Medical). Ở Mỹ, thiết bị hoạt động ở dải tần này không cần phải đăng ký và đƣợc đảm bảo bởi tổ chức WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance).  Chuẩn 802.11a: Hoạt động ở dải tần 5-6 GHz, tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54Mbps, chuẩn này đang đƣợc một số hãng đầu tƣ nghiên cứu thực hiện, nhằm hy vọng thay thế cho chuẩn 802.11b. Chuẩn này có đặc điểm là tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, nhƣng có điểm yếu là vùng phủ sóng hẹp do chuẩn này sử dụng dải tần 5GHz (dải tần càng cao thì vùng truyền tín hiệu càng nhỏ).  Chuẩn 802.11g: Là phiên bản nâng cấp của 802.11b, đƣợc thông qua bởi tổ chức IEEE. Nó cũng hoạt động ở dải tần 2.4GHz nhƣng tốc độ truyền có thể lên tới 54Mbps. Những sản phẩm áp dụng chuẩn này đều có thể tƣơng thích đƣợc với sản phẩm áp dụng chuẩn 802.11b. Tuy nhiên điểm hạn chế của nó là chỉ truyền thông đƣợc giữa những đối tƣợng nằm trong khoảng cách ngắn với nhau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN Về kiến trúc, chuẩn 802.11 đƣợc chia làm 2 lớp là lớp vật lý và lớp điều khiển truy cập môi trƣờng truyền MAC. Trong đó, tầng MAC có nhiệm vụ là thực hiện cơ chế điều khiển truy nhập môi trƣờng truyền, phân mảnh dữ liệu của ứng dụng ngƣời dùng và mã hóa. Tầng vật lý đƣợc chia làm hai tầng con (sublayer) với hai chức năng khác nhau. Đầu tiên là tầng giao thức hội tụ vật lý (Physical Layer Convergence Protocol - PLCP) có nhiệm vụ cảm nhận sóng mang và cung cấp điểm truy cập dịch vụ vật lý chung. Thứ hai là tầng phụ thuộc môi trƣờng truyền (Physical Medium Dependent - PMD) có nhiệm vụ quản lý việc điều chế (mudulation) tín hiệu. Hình2.2: Mô hì nh phân lớp WLAN theo chuẩn 802.11 2.2.4.1 Lớp vật lý Chuẩn IEEE hỗ trợ 3 phiên bản khác nhau của tầng vật lý: hai loại sử dụng công nghệ sóng radio (dải tần 2.4GHz) và loại còn lại sử dụng công nghệ hồng ngoại. Cả ba loại đều có chức năng là đánh giá kênh truyền rỗi - CCA (Clear Channel Assessment) và điểm truy cập dịch vụ vật lý. Chức năng CCA xác định cho tầng trên biết môi trƣờng truyền có rỗi hay không. Điều này rất cần thiết cho việc điều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 20 Nguyễn Đức Quỳnh - Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng tại Khoa NN – ĐHTN khiển truy nhập môi trƣờng truyền. Chức năng điểm truy cập dịch vụ vật lý cung cấp thông tin về tốc độ truyền, độc lập với công nghệ truyền thông. Khi mà tài nguyên tần số sóng vô tuyến ngày càng trở lên cạn kiệt thì ngƣời ta phải sử dụng kĩ thuật trải phổ nhằm nâng cao hiệu năng sử dụng tần số. Chúng ta có thể so sánh với công nghệ truyền thông băng hẹp, công nghệ truyền thông ra đời trƣớc công nghệ trải phổ. Với truyền thông băng hẹp, mạng chỉ sử dụng phổ tần số ở một mức đủ hoàn thành công việc. Đặc điểm đáng chú ý ở truyền thông băng hẹp là công suất đỉnh (peak power) cao. Và dải tần số đƣợc sử dụng để truyền dữ liệu càng nhỏ thì công suất đỉnh lại càng lớn. Điều đó là để đảm bảo cho việc tiếp nhận tín hiệu trong băng hẹp không bị lỗi. Một đặc điểm nữa của truyền thông băng hẹp là tín hiệu truyền rất dễ bị tắc nghẽn hay nhiễu. Đây chính là điểm bất lợi của truyền thông băng hẹp. Trong khi đó, công nghệ trải phổ cho phép chúng ta truyền cùng một lƣợng thông tin nhƣ băng hẹp nhƣng trải phổ chúng trên một vùng tần số lớn hơn nhiều. Ngoài ra, chúng ta có thể giảm đƣợc nhiễu và tắc nghẽn trong quá trình truyền dữ liệu. Do băng tần của trải phổ là tƣơng đối rộng nên công suất đỉnh của nó rất thấp. Nhƣ vậy, đặc trƣng của kĩ thuật trải phổ là băng thông rộng và công suất thấp. Cũng chính nhờ hai đặc điểm này mà bên nhận không mong muốn sẽ xem chúng nhƣ những tín hiệu nhiễu (tín hiệu nhiễu cũng có đặc điểm băng thông rộng và công suất thấp), do đó có thể tránh đƣợc “sự tò mò” không cần thiết, làm tăng thêm tính bảo mật khi truyền dữ liệu. Có hai kĩ thuật trải phổ thông dụng nhất hiện nay là kĩ thuật trải phổ nhảy tần (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum) và kĩ thuật trải phổ dãy trực tiếp (DSSS -Direct Sequence Spread Spectrum ).  Kĩ thuật trải phổ nhảy tần (FHSS) Kĩ thuật trải phổ nhảy tần là công nghệ cho phép nhiều mạng không dây có thể đồng thời hoạt động trong cùng một vùng phủ sóng bằng cách phân chia cho các mạng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn