Mạng máy tính cơ bản - Chương 5: Mạng cục bộ không dây (wlan) và mạng ad hoc (manet)
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
42 trang |
Chia sẻ: nguyenlam99 | Lượt xem: 942 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Mạng máy tính cơ bản - 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)
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
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- chuong_5_3896.pdf