Đề tài Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và IEEE 802.11n

Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và IEEE 802.11n 1 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay khi xã hội ngày càng phát triển, con người càng ngày càng có nhiều phương tiện hơn trong việc thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao về sinh hoạt và công việc. Sự phát triển các ứng dụng công nghệ như mạng viễn thông ngày càng được quan tâm. Dần dần xu hướng con người sử dụng mạng viễn thông mọi lúc mọi nơi với nhiều nhu cầu khác nhau. Do vậy việc sử dụng mạng vô tuyến đã trở nên là một điều tất yếu trong xã hội hiện đại. Các chuẩn mạng không dây cho tới nay đã thỏa mãn phần nào nhu cầu của con người. Đó là sự xuất hiện của các chuẩn mạng không dây IEEE 802.11 a/b/… Tuy nhiên theo thời gian và sự phát triển của xã hội đòi hỏi phải có những mạng không dây đạt được các yêu cầu di động, độ tin cậy, tính sẵn sàng, thông lượng và bảo mật tốt. Nhận thấy điều đó tổ chức IEEE đã thành lập TGn năm 2004 với mục đích xây dựng một chuẩn 802.11n mới đáp ứng nhu cầu về thông lượng có thể lên tới 600 Mbps. Báo cáo này sẽ giới thiệu các đặc tính cơ bản của 802.11n ở lớp MAC trong tầng liên kết dữ liệu. Báo cáo được trình bày thành 3 chương: Chương I: Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và 802.11n. Chương II: Giới thiệu các chức năng và hoạt động của 802.11n ở lớp MAC. Chương III: Cải tiến thông lượng mạng trong 802.11n. Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và tạo điều kiện của thầy Hoàng Trọng Minh trong quá trình chúng em làm báo cáo này. Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và IEEE 802.11n 2 Mục lục LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................... 1 Mục lục hình vẽ .................................................................................................................... 4 Danh mục thuật ngữ viết tắt ............................................................................................... 6 CHƯƠNG I ......................................................................................................................... 8 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ IEEE 802.11 VÀ 802.11n. ...................................................... 8 1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ RA ĐỜI CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY. ............... 8 1.2 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CỦA 802.11. ..................................................................... 12 1.3 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VỀ THÔNG LƯỢNG TỐC ĐỘ CAO VÀ CHUẨN 802.11n.15 1.3.1 Nhóm nghiên cứu thông lượng tốc độ cao. ................................................................. 15 1.3.2 Các thiết bị cầm tay (handheld devices) ...................................................................... 15 1.3.3 Môi trường và ứng dụng với 802.11n ......................................................................... 16 1.4 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 20 CHƯƠNG II ....................................................................................................................... 21 PHÂN LỚP MAC TRONG CHUẨN 802.11n..................................................................... 21 2.1 PHÂN LỚP GIAO THỨC .......................................................................................... 22 2.2 CÁC CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN ............................................................................... 23 2.2.2 Dò quét ...................................................................................................................... 24 2.4.1 Khoảng cách liên khung ngắn SIFS (The short inter-frame space) .............................. 33 2.4.2 Khe thời gian (Slot time) ............................................................................................ 34 2.4.3 Khoảng cách liên khung PIFS của PCF (The PCF inter-frame space) ......................... 34 2.5 TRAO ĐỔI KHUNG DỮ LIỆU VÀ KHUNG ACK XÁC NHẬN. ............................... 35 2.5.1 Phân đoạn khung (Fragmentation) .............................................................................. 36 2.6 HIỆN TƯỢNG ẨN NÚT (HIDDEN NODE) ................................................................ 39 2.6.1 Network allocation vector (Vecto định vị mạng) ........................................................ 39 2.7 TĂNG CƯỜNG TRUY NHẬP KÊNH PHÂN TÁN .................................................... 41 2.7.1 Thời điểm truyền tải ................................................................................................... 43 2.7.3 Các tham số truy cập EDCA ....................................................................................... 44 2.7.4 Khoảng cách liên khung mở rộng EIFS (Extended Inter-frame Space) ........................ 45 CHƯƠNG III ...................................................................................................................... 50 3.1 NHỮNG LÝ DO CHO SỰ CẢI TIẾN .......................................................................... 50 3.1.1 Thông lượng cao mà không cần thay đổi MAC. .......................................................... 50 3.1.2 Những cải tiến thông lượng của lớp MAC. ................................................................. 52 3.1.3 Thông lượng với các cải tiến hiệu quả ở lớp MAC. ..................................................... 54 Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và IEEE 802.11n 3 3.2 Móc nối,liên hợp (Aggregation) .................................................................................... 54 3.2.1 Liên hợp các MSDU (A-MSDU) ................................................................................ 55 3.2.2 Liên hợp các MPDU (A-MPDU) ................................................................................ 56 3.2.3 Móc nối PSDU (A-PSDU) ......................................................................................... 59 3.3 Xác nhận khối (Block Acknowledgement) .................................................................... 60 3.3.1 ACK xác nhận khối tức thời và trễ ............................................................................. 60 3.3.2 Sự khởi tạo phiên ACK xác nhận khối ........................................................................ 62 3.3.3 Truyền dữ liệu ở phiên Ack xác nhận khối ................................................................. 63 3.3.4 Làm đứt (tear down) phiên ACK xác nhận khối .......................................................... 64 3.3.5 Chính sách ack xác nhận thông thường trong một bất liên hợp (non-aggregate). ......... 64 3.3.6 Quá trình hoạt động của bộ đệm tái sắp xếp. ............................................................... 64 3.4 Ack xác nhận khối tức thời thông lượng cao (HT-immediate block ack) ........................ 66 3.4.1 Chính sách của Normal Ack trong một quá trinh liên kết khung. ................................ 66 3.4.2 Nén ack xác nhận khối ............................................................................................... 67 3.4.3 Trạng thái đầy đủ và một phần của ack xác nhận khối. ............................................... 68 3.5 HT Ack xác nhận khối trễ ............................................................................................. 73 3.5.1 Các chuỗi TXOP trong HT ack xác nhận khối trễ. ...................................................... 74 3.6 Kết Luận ....................................................................................................................... 74 KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 79 Tài liệu tham khảo .............................................................................................................. 80 Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và IEEE 802.11n 4 Mục lục hình vẽ Hình 1.3 biểu đồ tốc độ và băng tần của các chuẩn 802.11. .................................................. 14 Hình 1.5 BSS tại nhà riêng ................................................................................................... 17 Hình 2.1 Hoạt động giữa các lớp LLC, MAC, PHY. ............................................................ 23 Hình 2.2 Vị trí khung Beacon. .............................................................................................. 24 Hình 2.3 Quét bị động .......................................................................................................... 24 Hình 2.4 Quét chủ động ....................................................................................................... 25 Hình 2.6 Xác thực khóa chia sẻ. ........................................................................................... 28 Hình 2.7 Hoạt động của RTS/CTS. ...................................................................................... 30 Hình 2.8 Hoạt động của RTS/CTS với hai máy trạm không dây. .......................................... 31 Hình 2.9 Hoạt động của RTS/CTS giữa máy trạm có dây và máy trạm không dây. .............. 31 Hình 2.10 Sơ đồ cách thức hoạt động của NAV ................................................................... 32 Hình 2.11 Một số loại IFS .................................................................................................... 33 Hình 2.12 Thời gian trễ do quá trình xử lý hồi đáp khung ở tầng vật lý và lớp MAC. ........... 33 Hình 2.13 Trao đổi khung dữ liệu và khung xác nhận ACK.................................................. 35 Hình 2.14 Mô tả phân đoạn khung ....................................................................................... 37 Hình 2.15 Hai trạm cạnh tranh truy nhập. ............................................................................. 38 Hình 2.16 Vấn đề ẩn nút (hidden node). ............................................................................... 39 Hình 2.17 Trao đổi khung RTS/CTS. ................................................................................... 40 Hình 2.21 TXOP với các tốc độ vật lý khác nhau. ................................................................ 43 Hình 2.22 Một số TXOP theo các kênh truy nhập ưu tiên khác nhau. ................................... 44 Hình 3.1 Thông lượng và tốc độ truyền tầng vật lý giả định khi chưa có thay đổi ở lớp MAC (giới hạn 3ms/TXOP, xác nhận khối (block ack), 10% mất gói (PER)). ................................ 50 Hình 3.2 Hiệu quả ở lớp MAC và tốc độ truyền tầng vật lý giả định khi chưa có thay đổi ở lớp MAC (giới hạn 3ms/TXOP, xác nhận khối (block ack), 10% mất gói (PER)). ...................... 51 Hình 3.3 Tổng quan tương đối về đoạn đầu của một khung 1500 byte trên các tốc độ vật lý khác nhau. ............................................................................................................................ 52 Hình 3.4 Các cải tiến cơ bản của thông lượng trong 802.11 MAC. ....................................... 52 Hình 3.7 Hai mức liên hợp Aggreation trong trình tự chắc năng ở lớp MAC. ....................... 55 Hình 3.8 Quá trình đóng gói A-MSDU. ................................................................................ 56 Hình 3.9 Quá trình đóng gói A-MPDU. ................................................................................ 57 Hình 2.10 Đề xuất về quá trình đóng gói A-PSDU. .............................................................. 59 Hình 3.11 Các phiên ACK xác nhận khối tức thời và trễ. ..................................................... 61 Hình 3.12 Hoạt động của bộ đệm tái sắp xếp với các phân đoạn MSDU. .............................. 65 Hình 3.13 Chính sách Normal Ack trong một liên kết và không liên kết khung. ................... 66 Hình 3.14 Sử dụng BAR để làm giảm bộ đệm tái sắp xếp. ................................................... 67 Hình 3.15 Chức năng chia nhỏ thông thường cho quá trình thực hiện ack xác nhận khối tức thời ở trạm nhận. .................................................................................................................. 70 Hình 3.16 Quá trinh hoạt động bảng điểm (scoreboard)........................................................ 71 Hình 3.17 Các chuỗi TXOP có HT ack xác nhận tức thời thông thường. .............................. 73 Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và IEEE 802.11n 5 Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và IEEE 802.11n 6 Danh mục thuật ngữ viết tắt Ack Acknowledgement Báo nhận A-MPDU Aggregate MAC protocol data unit Đơn vị dữ liệu giao thức MAC AP Access point Điểm truy cập BSS Basic service 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 cập cảm nhận sóng mang CSMA/CA Carrier sense multiple access with collision avoidance Đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh đụng độ CSMA/CD Carrier sense multiple access with collision detection Đa truy cập cảm nhận sóng mang dò đụng độ CTS Clear to send DS Distribution system Trung tâm điều phối DSSS Direct sequence spread spectrum Trải phổ trực tiếp DTIM Delivery traffic indication message Khoảng truyền tin giao vận DCF Distributed coordination function Chức năng phân phối phối hợp ESS Extended service set Khối dịch vụ mở rộng FCC Federal Communications Commission Tổ chức FCC FHSS Frequency hopped spread spectrum Trải phổ nhảy tần FTP File transfer protocol Giao thức truyền file HTSG High throughput study Group Tổ chức nghiên cứu thông lượng cao HTTP Hypertext transfer protocol Giao thức truyền siêu văn bản HCCA HCF controlled channel access Điều khiển truy nhập kênh lai ghép HCF Hybrid coordination function Chức năng điều phối lai Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và IEEE 802.11n 7 ghép HC Hybrid coordinator điều phối viên lai ghép IBSS Independent BSS BSS độc lập LLC Logic link control MAC Medium access control MIMO Multiple-input multiple- output Công nghệ MIMO 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 Multiplexing Ghép kênh phân chia theo Tần số trực giao PC Point coordinator Điểm điều phối PLCP Physical layer convergence protocol Giao thức hội tụ tầng vật lý 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 PSMP Power-save multi-poll Đa thăm dò tiết kiệm năng lượng QoS Quality of service Chất lượng dịch vụ RA Receiver address Địa chỉ máy thu RTS Request to send SMTP Simple mail transfer protocol Giao thức truyền thư điện tử đơn giản TBTT Target beacon transmission time Khoảng thời gian truyền tín hiệu Beacon TCLAS Traffic classification Luồng lưu lượng truy cập TS Traffic stream Lưu lượng TSID Traffic stream identifier Thông tin nhận dạng lưu lượng TSPEC Traffic specification Đặc tả kỹ thuật lưu lượng TXOP Transmit opportunity Cơ hội truyền WFA Wi-Fi Alliance Tổ chức wifi WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và IEEE 802.11n 8 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ IEEE 802.11 VÀ 802.11n 1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ RA ĐỜI CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY. WLANs(Wireless Local Area Networks) là một thuật ngữ mà trước đây ít được biết tới, nó cũng mới chỉ xuất hiện trong khoảng 2 thập niên trở lại đây. Tính ra quá trình thâm nhập này diễn ra đầy bất ngờ nhờ sự phát triển của viễn thông di động và bùng nổ Internet toàn cầu. Đầu tiên ta phải nói tới khám phá của Hertz về sóng radio từ năm 1888, tiếp theo đó là thử nghiệm của Marconi với truyền và nhận sóng radio qua khoảng cách lớn năm 1894. Sau đó cho tới thế kỉ 20, truyền thông radio và radar được sử dụng trong quân đội, bao gồm cả sự phát triển của công nghệ trải phổ.Năm 1971, lần đầu tiên nền tảng về mạng không dây đã được thiết lập với tên gọi ALOHANET ở đại học Hawaii. Bảy máy tính đã được triển khai trên 4 đảo và liên lạc với một máy trung tâm theo một mô hình sao hai chiều (bi-directional). Vào năm 1985, một sự kiện đánh dấu mốc cho WLANs thương mại hóa khi tổ chức United States Federal Communications Commission (FCC) cho phép sử dụng các băng tần radio trong thí nghiệm công nghiệp, nghiên cứu khoa học, y học (industrial, scientific, and medical: ISM) với công nghệ trải phổ. Một vài thế hệ thiết bị WLAN độc quyền đã được phát triển sử dụng các băng tần này, bao gồm WaveLAN của hãng Bell Labs. Các hệ thống ban đầu này còn rất đắt tiền và triển khai được chỉ khi có cả chạy dây cáp, điều này thật khó để thực hiện. Nhiều tiến bộ trong công nghệ bán dẫn và chuẩn WLAN với IEEE 802.11 led đã làm giảm giá thành và mang đến sự lựa chọn cho công nghệ WLAN. Các chuẩn của WLAN xuất hiện kể từ khi chuẩn IEEE 802.11 ra đời cuối nhưng năm 1990. Trong lúc đó một vài chuẩn WLANs cũng xuất hiện vi dụ như High Performance Radio Local Area Network-Type 2 (HIPERLAN/2) và HomeRF nhưng không được chấp nhận. Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và IEEE 802.11n 9 Năm 1999 tổ chức Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) ra đời. Mục đích của tổ chức này nhằm kiểm tra giữa các chuẩn IEEE 802.11 của các hãng khác nhau. Tổ chức WECA này đã phát triển một bài kiểm tra Wireless-Fidelity (Wi-Fi) và cung cấp logo cho nhà sản xuất nào vượt qua được bài test đó. Ngày nay Wi-Fi đã trở thành từ đồng nghĩa với IEEE 802.11 và tổ chức này hiện giờ có tên là liên minh Wi-Fi (Wi-Fi Alliance). Liên minh này cũng cung cấp các bài test cho IEEE 802.11a,b,g. Nó đã và đang phát triển một nhà cung cấp wireless có tên gọi là Wireless Internet service Provider (WISP). WLAN có thể dùng để kết nối mạng trong nhưng vùng khó có thể triển khai dây cáp, nó có thể cho ta sự linh hoạt trong di chuyển và có thể mở rộng mạng. WLAN cho phép người di chuyển khi làm việc với ứng dụng như khi sử dụng mạng dây cáp. WLAN mang đến cho ta nhiều lợi ích hơn so với mạng có dây. Trong một gia đình hoặc công sở đã có sẵn, việc triển khai hệ thống dây cáp cho việc truy cập mạng đòi hỏi phải đi dây mắc cáp trên tường, sàn nhà, hay trần nhà, việc này khá bất tiện và có thể rất tốn kém. Ngược lại, với việc cung cấp kết nối mạng không dây trong những hoàn cảnh này thường khá đơn giản chỉ với việc cài đặt một thiết bị access point đơn giản. Có lẽ điều quan trọng hơn là sự gia tăng nhanh chóng các thiết bị mang tính di động cao như laptop và handheld, nhờ đó con người có thể truy cập mạng mọi lúc mọi nơi, điều mà chỉ có mạng không dây vô tuyến có thể làm được. Kết nối mạng trong phòng hội nghị hay ngồi trên ghế sofa trong phòng khách chỉ là 2 ví dụ cho khả năng mềm dẻo linh hoạt của WLAN. Nhờ thuận lợi trong khả năng di động cao, ngày nay WLAN cho phép truy cập Internet chỉ với rất ít chi phí hoặc miễn phí trong mạng không dây công cộng. Năm 2005 tại San Francisco, Google đã triển khai dịch vụ Wi-Fi miễn phí trên toàn thành phố. Không những thế sự gia tăng nhanh chóng các điểm truy cập Internet nhỏ lẻ hơn như quán café, sân bay, khách sạn, vân vân… Ngoài ra khi các mạng này được liên kết với công nghệ VPN, người lao động có thể truy cập an toàn tới mạng của công ty từ bất kì đâu. Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và IEEE 802.11n 10 Rất nhiều sản phẩm và hệ thống WLAN khác nhau hiện nay phần lớn dựa trên chuẩn 802.11b, 802.11g, 802.11a, các chuẩn này cung cấp thông lượng nâng cao dựa trên nguyên bản 802.11. IEEE 802.11b làm việc trên băng tần 2.4 Ghz, giống như 802.11g, trong khi IEEE 802.11a làm việc trên dải tần 5 Ghz. Các dải phổ này hoàn toàn miễn phí. Sau đây là chi tiết các chuẩn: - IEEE 802.11: Sử dụng đa truy nhập cảm nhận sóng mang và tránh xung đột (Carrier Sense Multiple Access/Collision Advoidance: CSMA/CA) ở lớp MAC (Me