Giáo trình Mạng không dây - Chương 1: Giới thiệu về mạng không dây - Trần Thị Minh Khoa

Chương 1. Giới thiệu về Mạng Không Dây (Introduction to Wireless Networks) GV: TS. Trần Thị Minh Khoa Email: ttmkhoa@iuh.edu.vn Agenda • Ôn tập • Các thuật ngữ liên quan • Phân loại mạng truyền thông (Communication Networks) • CƠ BẢN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY – Định nghĩa – Các thành phần – Mô hình truyền thông không dây – Phân loại mạng không dây – Ưu/Nhược điểm của mạng không dây – Ứng dụng và Xu hướng của mạng không dây 2/27/2017 2 Ôn tập • Mô hình OSI (Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở) 2/27/2017 3 Ôn tập • Mô hình OSI (Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở) – Application: Tầng giao diện, tương tác trực tiếp với người dùng (vd: web browser, mail user agent, web server, mail server,) – Presentation: Dịch dữ liệu từ tầng App thành dạng format chung – Session: Kiểm soát các phiên hội thoại giữa các máy tính. Cung cấp cơ chế nhận biết tên và chức năng về bảo mật thông tin khi truyền qua mạng – Transport: Vận chuyển và kiểm soát các gói tin (TCP/UDP) tới thiết bị cuối, đảm bảo độ tin cậy 2/27/2017 4 Ôn tập • Mô hình OSI (Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở) – Network: Định tuyến các gói tin thông qua các thiết bị định tuyến (router) hoặc chuyển mạch (router) trong khi vẫn duy trì được chất lượng dịch vụ • Giao thức IP – Data Link: Đảm bảo việc truyền các frame giữa 2 máy tính có đường truyền vật lý nối trực tiếp với nhau. Hỗ trợ cơ chế phát hiện và xử lý lỗi dữ liệu. Được chia thành 2 tầng con: • MAC – Media Access Control: Điều khiển truy cập đường truyền • LLC – Logical Link Control: Điều khiển liên kết logic 2/27/2017 5 Ôn tập • Mô hình OSI (Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở) – Physical: Điều khiển việc truyền tải các bit trên đường truyền vật lý. Định nghĩa các tín hiệu điện , trạng thái đường truyền, phương pháp mã hóa dữ liệu, các loại đầu nối sử dụng, • Điều chế (modulation), hoặc biến đổi giữa biểu diễn dữ liệu số (digital data) của các thiết bị người dùng và các tín hiệu tương ứng được truyền qua kênh truyền thông (communication channel). 2/27/2017 6 Ôn tập 2/27/2017 7 Các thuật ngữ liên quan • Communication – Truyền thông – Việc truyền tín hiệu – Những vấn đề cần quan tâm: mã hóa (encode), giao tiếp (communnicate), tín hiệu (signal), ghép kênh (multiplexing), • Network – Mạng – Mô hình/kiến trúc (topology), hạ tầng (infrastructure) • Objects – Thực thể, đối tượng: – Sender/Transmitter/Source – Receiver/Destination – Transceiver 2/27/2017 8 Các thuật ngữ liên quan • Information/Data/Signal – Information: thông tin – Data: dữ liệu ta có thể sử dụng • (messages/segments/packets/frames/bits) – Signal: tín hiệu là 1 hàm theo thời gian. Đại diện cho dữ liệu hoặc dữ liệu được mã hóa bằng tín hiệu. Là thứ thực sự đi trên đường truyền 2/27/2017 9 Information Data Signal Phân loại mạng truyền thông • Signals – Analog, Digital • Scale – LAN, MAN, WAN, Internet • Transmission technology – Broadcast – Poin-to-point • Services – Single service – Integrated service • Transmission medium – Wired – Wireless 2/27/2017 10 Communication Networks Information signals Scale Services Transmission Technology Transmission Medium Digital, Analog LAN, MAN, WAN, Internet Single, Integrated Broadcast, P2P Wired, Wireless CƠ BẢN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY (BASIC OF WIRELESS NETWORKS) 2/27/2017 11 Định nghĩa 2/27/2017 12 • Giới thiệu về Mạng không dây (Wireless Network) – Wireless: vô tuyến, không dây dẫn – Mạng sử dụng sóng điện từ (Electromagnectic Waves: radio wave và/hoặc microwave) để duy trì kênh truyền giữa các thiết bị – Truyền thông vô tuyến (Wireless communication): việc truyền tải thông tin không cần dây dẫn làm môi trường truyền Các thành phần trong Mạng không dây • Wireless hosts: – Là những thiết bị cuối trong hệ thống chạy các ứng dụng: laptop, PDA, phone, desktop computer. – Có hoặc không thể di chuyển. • Wireless links: – Hosts kết nối với trạm gốc (base station/BS) hoặc các host khác thông qua liên kết truyền thông không dây (wireless communiction links) – Các kỹ thuật liên kết không dây khác nhau sẽ khác nhau về tốc độ truyền (transmission rate) và khoảng cách (distance) các gói tin có thể truyền đi – (Figure 6.2) 2/27/2017 13 2/27/2017 14 Các thành phần trong Mạng không dây • Base station (BS): – Là thành phần quan trọng trong cơ sở hạ tầng (infrastructure) của mạng không dây – Chịu trách nhiệm gởi và nhận dữ liệu (packets) từ các host trong mạng – Chịu trách nhiệm truyền tải giữa các host “liên quan/associated” trong mạng – Vd: Cell towers trong mạng di dộng, access point trong wireless LAN 802.11 2/27/2017 15 Các thành phần trong Mạng không dây 2/27/2017 16 Các thành phần trong Mạng không dây Mô hình truyền thông không dây 2/27/2017 17 Phân loại mạng không dây • Ở cấp cao nhất, ta có thể phân loại mạng không dây dựa vào 2 điều kiện sau: – Các gói tin trong mạng đi qua 1 hoặc nhiều bước nhảy (single- hop/multi-hop) để tới đích – Có hoặc không có cơ sở hạ tầng (infrastructure-based/infrastructure- less) (vd: base station) trong mạng 2/27/2017 18 Phân loại mạng không dây – Single-hop, infrastructure-based • Có BS kết nối với mạng có dây lớn hơn (vd:Internet) • Tất cả các giao tiếp giữa BS và wireless host đều thông qua 1 bước • Chuẩn mạng 802.11 sử dụng trong lớp học, quán café, hoặc thư viện; mạng di động; chuẩn mạng 802.16 WiMAX – Single-hop, infrastructure-less • Không có BS trong mạng • Một trong những node trong mạng có thể kết hợp truyền tin với các node khác • Bluetooth, 802.11 ad-hoc 2/27/2017 19 Phân loại mạng không dây – Multi-hop, infrastructure-based • Có BS kết nối với mạng có dây lớn hơn (vd:Internet) • Để giao tiếp với BS, một số các wireless host có thể phải nhờ sự tiếp sức từ các node khác • Wireless sensor networks, wireless mesh networks – Multi-hop, infrastructure-less • Không có BS trong mạng • Các nodes có thể phải nhờ sự tiếp sức từ một vài node khác trong mạng để chuyển thông tin tới đích • Các nodes có thể di chuyển và thay đổi kết nối giữa các nodes • Mobile ad-hoc networks (MANETs), Vehicular ad-hoc network (VANET) 2/27/2017 20 Phân loại mạng không dây • HOẶC, ta có thể dựa vào 2 chỉ tiêu cơ bản để phân loại mạng không dây: – Phạm vi phủ sóng (Coverage) – Giao thức báo hiệu (Signaling Protocol) 2/27/2017 21 Phân loại mạng không dây – Phạm vi phủ sóng (Coverage) • WPAN (Wireless Personal Area Network): Bluetooth (IEEE802.15.1), Zigbee, RFID • WLAN (Wireless Local Area Network): WiFi • WMAN (Wireless Metropolitan Area Network): WiMAX • WWAN (Wireless Wide Area Network): FSO – free space optics 2/27/2017 22 Phân loại mạng không dây • WPAN – Mạng không dây cá nhân, được sử dụng để kết nối các thiết bị trong phạm vi hẹp, băng thông nhỏ – ví dụ: kết nối giữa máy tính cá nhân với tai nghe (headphone), máy in, bàn phím, chuột; kết nối giữa tai nghe với điện thoại di độngv.v. – Các công nghệ thường được sử dụng là: Bluetooth, Zigbee, UWB, RFID 2/27/2017 23 Phân loại mạng không dây • WLAN – Là hệ thống mạng LAN không dây, – Triển khai dựa trên các chuẩn đã được cải tiến từ IEEE 802.11, cụ thể là IEEE 802.11g và IEEE 802.11n. – Cung cấp khả năng kết nối lưu động, không cần cáp nối giữa các thiết bị. Khả năng kết nối lưu động cho phép người sử dụng có thể kết nối mạng khi di chuyển trong vùng phủ sóng của các điểm truy cập (access point). – Access point được kết nối cố định vào mạng Ethernet, trong đó có các tài nguyên cần thiết cho người sử dụng như: máy chứa dữ liệu (file server), máy in, kết nối internetv.v 2/27/2017 24 Phân loại mạng không dây • WMAN – Mạng không dây đô thị, được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông. – Triển khai dựa trên chuẩn IEEE 802.16. Công nghệ được sử dụng nhiều nhất là WiMAX. Băng tần sử dụng từ 2Ghz tới 11 Ghz. Băng thông 40Mbps cho kết nối tầm nhìn thẳng (line of sight) cố định và 15 Mbps cho kết nối không theo tầm nhìn thẳng, di động. – Thích hợp cho các vùng địa lý hiểm trở, hoang vắng, vì không phải triển khai hạ tầng cáp tốn kém 2/27/2017 25 Phân loại mạng không dây • WWAN – Mạng diện rộng (WAN – wide area network) được sử dụng để kết nối các mạng LAN lại với nhau – Các công nghệ WWAN phổ biến hiện nay sử dụng công nghệ truyền thông quang vô tuyến (FSO – free space optics) – Điểm khác biệt quan trọng giữa WWAN với WLAN, WPAN, và WMAN là WWAN thực hiện gộp nhiều kênh lại (ghép kênh - multiplexing) và truyền trên 1 liên kết đơn. 2/27/2017 26 Phân loại mạng không dây – Giao thức báo hiệu (Signaling Protocol) • Mạng có sử dụng giao thức báo hiệu cung cấp bởi người quản lý viễn thông cho hệ thống di động như mạng 3G • Mạng không sử dụng giao thức báo hiệu như Ethernet, Internet là ví dụ điển hình cho loại mạng này 2/27/2017 27 Ưu điểm của mạng không dây • Khả năng di động và sự tự do – cho phép truy cập ở bất kỳ đâu • Không bị hạn chế về không gian và vị trí kết nối • Dễ lắp đặt và triển khai • Chi phí thấp – không cần mua cáp, tiết kiệm thời gian lắp đặt • Dễ dàng mở rộng 2/27/2017 28 Nhược điểm của mạng không dây • Cường độ tín hiệu giảm, do: – Bức xạ điện từ suy giảm khi chúng đi qua các vật cản (vd:tường, đồi núi,) – Khoảng cách giữa các thiết bị truyền-nhận tăng làm suy giảm tín hiệu đường truyền (path loss) • Sự can thiệp từ các nguồn khác 2/27/2017 29 Nhược điểm của mạng không dây • Sự truyền sóng đa đường (multipath propagation) – Sóng điện từ thường không được truyền trực tiếp từ nơi phát tới nơi nhận do tồn tại những vật cản – Sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác 2/27/2017 30 Nhược điểm của mạng không dây • So với mạng có dây – Thấp hơn về: bandwidth, transmission rate – Cao hơn về: thời gian thiết lập kết nối, độ trễ đường truyền – Chất lượng dịch vụ (QoS), bảo mật: suy giảm – Số lượng người dùng tăng  tốc độ đường truyền giảm 2/27/2017 31 Nhược điểm của mạng không dây • Các điều kiện hoạt động trên mạng có tính dễ thay đổi, do – Xung đột (Collision), Can thiệp (Interference) Mức độ mất dữ liệu cao hơn – Khoảng cách (Distance) tăng  cường độ tín hiệu giảm – Di chuyển (Mobility) mất kết nối và/hoặc thay đổi kênh truyền thường xuyên 2/27/2017 32 Nhược điểm của mạng không dây • Giới hạn về tài nguyên – Pin, kỹ thuật, bộ nhớ, dung lượng • Nguy cơ về sức khỏe • Tần số khả dụng có giới hạn – Tần số cần được quản lý và sử dụng hợp lý 2/27/2017 33 Ứng dụng của mạng không dây 2/27/2017 34 Xu hướng 2/27/2017 35 Xu hướng • Cognitive Radio (CR) – Công nghệ vô tuyến nhận thức • Wireless Sensor Network • Radio Frequency Identification (RFID) – Nhận dạng tần số sóng vô tuyến • Internet of Things (IoT) 2/27/2017 36 Wireless Sensor Network 2/27/2017 37 IoT 2/27/2017 38 Cognitive Radio (CR) 2/27/2017 39 Radio Frequency Identification (RFID) 2/27/2017 40