Mạng không dây là kỹ thuật nối mạng đang phát triển nhanh hiện nay. Như chúng ta đã biết, khả năng để xây dựng mạng không dây là hầu như không có giới hạn, trải dài từ cách sử dụng tín hiệu hồng ngoại để dựng mạng nội bộ trong phạm vi một tòa nhà cho đến việc kiến thiết mạng toàn cầu từ một lưới các vệ tinh quĩ đạo thấp. Phần này sẽ có cái nhìn gần hơn vào một kỹ thuật cụ thể xoay quanh chuẩn 802.11 đang nổi hiện nay. Giống như những người anh em Ethernet và Token Ring, 802.11 được thiết kế để hoạt động trong một phạm vi địa lý hẹp [các ngôi nhà, các tòa nhà văn phòng, các khu đại học] và thách thức quan trọng nó đặt ra là phải trù tính đến việc truy xuất đến phương tiện truyền thông chia sẻ - trong trường hợp này là các tín hiệu lan truyền trong không gian. 802.11 hỗ trợ thêm một số tính năng như các dịch vụ có giới hạn về thời gian, quản lý năng lượng và các cơ chế an toàn, nhưng chúng ta chỉ tập trung vào thảo luận về chức năng cơ bản của nó thôi.
802.11 được thiết kế để chạy trên ba phương tiện vật lý khác nhau - hai dựa trên sóng radio phổ rộng và một dựa trên tia hồng ngoại được khuếch tán. Phiên bản chạy trên sóng radio hiện đang chạy với tốc độ 11 Mbps, nhưng có thể sớm đạt được tốc độ 54 Mbps.
Ý tưởng đằng sau khái niệm phổ tần rộng là nhằm trải rộng tín hiệu lên trên một băng tần rộng hơn so với bình thường, vì thế có thể giảm thiểu tác động của sự giao thoa tín hiệu với các thiết bị khác. Ví dụ, kỹ thuật “nhảy tần số” [frequency hopping] là một kỹ thuật sử dụng phổ tần rộng, nó xoay quanh việc gởi tín hiệu qua một dãy tần số ngẫu nhiên; nghĩa là lần đầu sẽ gởi trên một tần số, lần hai gởi trên tần số khác, lần thứ ba và vân vân. Dãy tần số này không thật sự là ngẫu nhiên mà được tính toán một cách có giải thuật bởi một bộ sinh số ngẫu nhiên. Bên nhận sẽ dùng cùng một giải thuật như bên gởi và do đó có thể nhảy qua các tần số khác nhau đồng bộ với bên gởi để nhận chính xác khung thông tin.
Một kỹ thuật sử dụng phổ tần rộng khác, được gọi là “dãy trực tiếp”[direct sequence], cũng đạt được cùng một hiệu quả bằng cách thể hiện một bit trong khung thành nhiều bit trong tín hiệu truyền đi. Với mỗi bit bên gởi muốn truyền đi, nó thực ra sẽ gởi một chuỗi bit là kết quả của phép toán exclusive-OR của bit đó với một chuỗi n bit ngẫu nhiên. Cũng như trong frequency hopping, chuỗi n bit này được sinh ra bởi một bộ sinh số ngẫu nhiên và được hiểu bởi cả hai bên gởi và nhận. Các giá trị được truyền đi, được gọi là “mã cắt lát” n bit [n-bit chipping code], sẽ rải tín hiệu trên một dãi tần rộng hơn gấp n lần so với dãi tần mà thông thường khung cần để được truyền đi. H5.35 là một ví dụ về mã cắt lát 4 bit.
802.11 định nghĩa một lớp vật lý sử dụng cơ chế “nhảy tần số” [trên 79 dải tần có độ rộng 1-Mhz], lớp vật lý thứ hai sử dụng “dãy trực tiếp” [sử dụng dãy cắt lát 11 bit]. Cả hai chuẩn đều chạy trên sóng điện từ băng tần 2.4 GHz. Trong cả hai trường hợp, việc trải rộng phổ truyền đều có điểm thú vị là làm cho tín hiệu giống như nhiễu đối với bất kỳ bên nhận nào không biết chuỗi ngẫu nhiên giả.
Chuẩn vật lý thứ ba của 802.11 dựa trên tín hiệu hồng ngoại. Tín hiệu lưu thông sẽ được khuếch tán, nghĩa là bên gởi và bên nhận không cần phải hướng vào nhau và không cần tầm nhìn rõ ràng. Kỹ thuật này có phạm vi hoạt động khoảng 10 m và bị giới hạn chỉ trong các tòa nhà mà thôi.
Tránh đụng độ [Collision Avoidance]
Thoạt nhìn, có vẻ như giao thức không dây cũng tuân thủ cùng giải thuật như ở Ethernet: đợi cho đến khi đường truyền rỗi thì mới truyền, lùi lại nếu có đụng độ. 802.11 cũng làm tương tự như vậy. Tuy nhiên, vấn đề phức tạp hơn trong hệ thống mạng không dây, bởi vì không phải tất cả các nút đều có thể thấy nhau!
Xét tình huống được chỉ ra trong H5.37, mỗi trạm chỉ có thể gởi và nhận tín hiệu đến hai nút kề trái và phải của nó. Ví dụ nút B có thể trao đổi các khung dữ liệu với nút A và C nhưng không thể phát tín hiệu đến D được, trong khi C chỉ có thể trao đổi với B và D mà không thể với A. [Tầm phủ sóng của A và D không được vẽ trong hình]. Giả sử cả A và C cùng muốn nói giao tiếp với B và do đó chúng cùng gởi khung đến B. A và C không biết gì về nhau do sóng không thể đi xa như vậy. Hai khung này sẽ bị đụng độ tại B, nhưng không như trong Ethernet, không ai trong A và C hay biết gì về sự đụng độ này. A và C được gọi là các nút ẩn [hiden nodes] đối với nhau.
Một vấn đề liên quan nữa, gọi là vấn đề “nút bị phơi trần” [exposed node problem], phát sinh trong tính huống sau: Giả sử B đang gởi cho A, nút C nhận biết được tình huống này vì nó nghe được việc truyền của B. Và sẽ là sai lầm nếu C kết luận là nó không thể truyền đến bất kỳ nút nào khác do nó nghe thấy B đang truyền. Ví dụ, giả sử C muốn truyền cho D thì việc này không gây ảnh hưởng gì vì việc truyền từ C đến D không can dự vào khả năng nhận tín hiệu của A từ B. [Chỉ gây ảnh hưởng khi A truyền cho B, nhưng trong trường hợp này B đang truyền].
802.11 giải quyết hai vấn đề trên bằng một giải thuật gọi là “Đa truy cập với cơ chế tránh đụng độ” – Multiple Access with Collision Avoidance [MACA]. Ý tưởng là cho hai bên gởi và nhận trao đổi những khung điều khiển với nhau trước khi thật sự truyền dữ liệu. Việc trao đổi này dụng ý là để thông báo cho các trạm lân cận rằng một phiên truyền dữ liệu sắp xảy ra. Cụ thể giải thuật như sau: Bên gởi gởi một khung “yêu cầu gởi” – Request To Send [RTS] đến bên nhận; khung RTS có chứa một trường, trong đó chỉ ra bên gởi muốn giữ kênh truyền bao lâu [ nghĩa là nó chỉ ra chiều dài của khung cần gởi]. Bên nhận sẽ trả lời bằng khung “sẵn sàng nhận” – Clear To Send [CTS]; khung này sẽ lặp lại trường chiều dài khung như phía bên gởi. Bất kỳ trạm nào thấy khung CTS cũng hiểu được rằng trạm bên nhận ở gần nó, cho nên nó sẽ không thể gởi khung trong khoảng thời gian được chỉ ra trong CTS. Còn những trạm thấy khung RTS nhưng không thấy khung CTS đâu thì chắc chắn là không ở gần bên nhận, do đó chúng có quyền tự do gởi khung đi.
Có thêm hai chi tiết nữa để hoàn thiện bức tranh về Wireless LAN. Thứ nhất, bên nhận gởi một khung báo nhận [ACK] cho bên gởi sau khi đã nhận thành công một khung dữ liệu. Tất cả các nút khác phải chờ khung ACK này đi qua trước khi thử truyền khung của mình. [Khung ACK này không có trong phiên bản MACA gốc, thay vào đó nó được đề nghị trong một phiên bản mở rộng được gọi là MACW: MACA for Wireless LANs]. Thứ hai, trường hợp có hơn hai trạm phát hiện kênh truyền rỗi, chúng sẽ gởi khung RTS cùng lúc, dẫn đến các khung này bị va chạm với nhau. 802.11 không có hỗ trợ cơ chế phát hiện đụng độ, thay vào đó, các trạm nhận ra sự đụng độ khi chúng không nhận được các khung CTS sau một khoảng thời gian nào đó. Nếu thế, mỗi trạm sẽ chờ đợi sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên nào đó trước khi thử gởi khung RTS lần nữa. Khoảng thời gian mà một trạm chờ để thử lại được định nghĩa giống như thuật toán back-off trong Ethernet.
Như những gì đã trình bày, 802.11 có thể thích hợp với cấu hình mạng dạng ad-hoc, trong đó các nút có thể hoặc không thể giao tiếp với những nút còn lại, tùy thuộc vào khoảng cách giữa chúng là gần hay xa. Ngoài ra, do một trong những thuận lợi của mạng không dây là các nút có thể tự do di chuyển do chúng không bị trói buộc bởi hệ thống dây nối, tập các nút có thể thấy nhau trực tiếp là thay đổi theo thời gian. Để giúp giải quyết vấn đề di động và nối kết một phần này, 802.11 định nghĩa thêm một kiến trúc trên một tập các nút. Các nút có quyền tự do giao tiếp trực tiếp với nhau như đã trình bày, nhưng trong thực tế chúng hoạt động bên trong kiến trúc này.
Thay vì tất cả các nút được tạo ra như nhau, một số nút được phép đi lang thang [đó là máy laptop của bạn] và một số được nối kết tới một hạ tầng mạng có nối dây. Các trạm nối kết có dây được gọi là các điểm truy cập - “access point” [AP] và chúng được nối với nhau bằng cái gọi là hệ thống phân tán. H5.38 mô phỏng một hệ thống phân tán nối kết ba điểm truy cập, mỗi điểm truy cập phục vụ các nút di động trong khu vực mình phụ trách. Mỗi khu vực này giống như một cell trong hệ thống điện thoại di động, với AP hoạt động giống như Base station.
Mặc dù hai nút có thể giao tiếp trực tiếp với nhau nếu chúng ở trong tầm với của nhau, tuy nhiên ý tưởng ở trong kiến trúc này là: mỗi nút sẽ kết hợp với một điểm truy cập của nó. Ví dụ, để nút A giao tiếp được với nút E, đầu tiên A gởi khung của nó đến điểm truy cập AP-1, AP-1 sẽ gởi khung qua hệ thống phân tán đến AP-3, rồi AP-3 sẽ phân phát khung đến E. Chỉ ra AP-1 làm cách nào để chuyển khung đến AP-3 là nằm ngoài phạm vi của 802.11, một giao thức cầu nối [sẽ được nghiên cứu ở tầng mạng] có thể được sử dụng để làm nhiệm vụ này. Những gì 802.11 có thể làm là xác định cách thức các nút chọn ra AP của chúng, và thú vị hơn nữa là làm sao giao thức này hoạt động được trong tình cảnh các nút di chuyển từ cell này đến cell khác.
Kỹ thuật để chọn ra một AP được gọi là kỹ thuật “quét” [scanning] và nó xoay quanh bốn bước sau:
- Nút gởi một khung Probe [thăm dò].
- Tất cả điểm truy cập [AP] trong tầm với của nút sẽ trả lời bằng một khung Probe Response [trả lời thăm dò].
- Nút sẽ chọn một trong các điểm truy cập trên và gởi đến điểm truy cập đó một khung Association Request [yêu cầu gia nhập].
- Điểm truy cập trả lời bằng một khung Association Reponse [trả lời cho yêu cầu gia nhập].
Một nút tiến hành giao thức này khi nó lần đầu tham gia vào mạng hoặc nó không hài lòng với AP hiện tại. Điều này có thể xảy ra, ví dụ như vì tín hiệu từ AP hiện tại yếu dần do nút càng di chuyển xa AP. Mỗi khi nút kiếm được AP mới, AP mới sẽ nhắc nhở AP cũ về sự thay đổi này.
Lấy ví dụ như trong H5.38, khi mà nút C di chuyển từ cell được phục vụ bởi AP-1 sang cell được phục vụ bởi AP-2. Khi C di chuyển, nó gởi khung Probe đến AP-2 và được AP-2 trả lời bằng khung Probe Response. Tại thời điểm đó, C thích AP-2 hơn AP-2, do đó nó gia nhập vào điểm truy cập này.
Cơ chế vừa được mô tả được gọi là cơ chế “quét chủ động” – active scanning, do nút chủ động dò tìm điểm truy cập. Các AP cũng thường xuyên gởi khung Beacon [đèn hiệu] để quảng cáo cho khả năng của mình, bao gồm tốc độ truyền được điểm truy cập hỗ trợ. Cơ chế này được gọi là “quét thụ động” – passive scanning, và một nút có thể chuyển sang điểm truy cập này đơn giản bằng cách gởi môt khung Association Request ngược lại AP.
Hầu hết các thông tin trong khung 802.11, như được vẽ trong H5.40, là đều như chúng ta mong muốn. Khung bao gồm địa chỉ nguồn và đích, mỗi cái dài 48 bits; dữ liệu tối đa 2312 bytes; và phần kiểm tra lỗi CRC 32 bits. Trường Control chứa ba trường con: Trường Type dài 6 bits – dùng để chỉ ra khung là khung dữ liêu, hay là khung RTS, hay là CTS, hoặc cũng được sử dụng bởi giải thuật quét; một cặp trường mỗi trường dài 1 bit gọi là ToDS và FromDS, sẽ được giải thích ngay sau đây.
Điều kỳ dị trong khung 802.11 là nó chứa đến bốn địa chỉ. Cách thức thông dịch các địa chỉ này lại phụ thuộc vào việc thiết đặt các bít ToDS và FromDS trong trường Control. Điều này là để tính đến khả năng khung phải được chuyển tiếp qua hệ thống phân tán, có nghĩa là bên gởi nguyên thủy không nhất thiết phải là nút phát khung gần đây nhất. Cũng tương tự đối với địa chỉ bên nhận. Trong trường hợp đơn giản nhất, khi một nút gởi khung trực tiếp đến nút kia, cả hai bit DS đều có giá trị 0, Addr1 chứa địa chỉ nút đích, Addr2 chứa địa chỉ nút nguồn. Trong trường hợp phức tạp nhất, cả hai bit DS mang giá trị 1, chỉ ra rằng khung thông tin đi từ nút không dây qua hệ thống phân tán và rồi từ hệ thống phân tán đến nút không dây bên đích. Với cả hai bit DS được đặt, Addr1 định danh đích cuối cùng, Addr2 định danh nút gởi tạm thời [là nút đã chuyển khung từ hệ thống phân tán đến đích cuối cùng], Addr3 định danh nút đích tạm thời [là nút đã nhận khung từ nút không dây và trung chuyển khung xuyên qua hệ thống phân tán], Addr4 định danh nút gởi nguyên thủy. Trong ví dụ H5.37, Addr1=E, Addr2=AP-3, Addr3=AP-1, Addr4=A.