ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐINH ANH TUẤN

Đ
Đ
Á
Á
N
N
H
HG
G
I
I
Á

GK
K
H
H
Ô
Ô
N
N
G
GD
D
Â
Â
Y
YT
T
H
H
E
E
O

3

LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội – 2009

2.3.3 An ninh 38
CHƢƠNG 3: MẠNG THEO CHUẨN 802.15.3 39
3.1 Giới thiệu chuẩn 802.15.3 39
3.1.1. Sự ra đời của chuẩn 802.15.3 39
3.1.2. Kiến trúc giao thức 43
3.1.3 Các thành phần của mạng 45
3.2 Chức năng của các tầng của chuẩn 802.15.3 45
3.2.1. Tầng vật lý 46
3.2.2 Tầng điều khiển truy nhập MAC 54
3.3. Piconet trong chuẩn 802.15.3 68
3.4 Tổ chức kênh 70
3.5. Phương thư
́
c lư
̣
a cho
̣
n tra
̣
m điều khiê
̉
n trong Piconet 72
3.5.1. Mô tả phương thức lựa chọn trạm điều khiển trong Piconet 72
3.5.2 Cách chọn trạm điều khiển có bình phương khoảng cách nhỏ nhất 74
3.6 So sánh mạng theo chuẩn 802.15.3 với 802.11 và 802.15.4 78
3.6.1 Các đặc điểm giống với 802.11 và 802.15.4 79
3.6.2 Các đặc điểm khác với 802.11 và 802.15.4 80
CHƢƠNG 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CỦA MẠNG 802.15.3 82
4.1. Bộ mô phỏng mạng NS-2 82
4.1.1 Kiến trúc của NS-2 83

Application Programming Interface
AV
Audio-Video
BP
Beacon Period
BPSK
Binary Phase-Shift Keying
BSS
Basic Service Set
CAP
Contention Access Period
CBR
Constant Bit Rate
CBS
Constant Bandwitdh Server
CMOS
Complementary Metal-Oxide Semiconductor
CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
CSMA-CA
Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance
Avoidance
CTA
Channel Time Allocation
CTAP
Channel Time Allocation Period
CTS
Clear to send
DEV
Devices

FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum
FWA
Fixed Wireless Access
GTS
Guaranteed Time Slot
HDR
High Dynamic Range
HR-WPAN
High Rate-Wireless Personal Area Network
IBSS
Independent Basic Service Set
IE
Information Exchange
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP
Internet Protocol
IRSA
Intelligent Reactive Scheduling Architecture
ITU
International Telecommunications Union
LAN
Location Area Network
LLC
Logical Link Control
LNA
Low-Noise Amplifier
LQI
Link Quality Interface

PHY
Physical Layer
PNC
Piconet coordinator
PPM
Pulse Positioning Modulation
PSC
PBC Selection Counter
PSF
Pre-Select Filter
PSR
PNC selection request
P2P
Peer-to-Peer
QoS
Quality of Service
RF
Radio Frequency
RFD
Reduced Function Device
RTS
Request to send
SAP
Service Access Point
SIG
Special Interest Group
SNR

WAN
Wide Area Network
WEP
Wired Equivalent Privacy
WIFI
Wireless Fidelity
WLAN
Wireless Local Area Network
WPA
Wi-Fi Protected Access
WPA2
Wi-Fi Protected Access 2
WPAN
Wireless Personal Area Network
WRR
Weighted Round Robin
WUSB
Wireless USB
WWAN
Wireless WAN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1: Mô hình quy chiếu OSI và mô hình TCPIP 14
Hình 2: Kiến trúc mạng LAN 16
Hình 3: Peer-to-Peer or ad-hoc wireless LAN 25
Hình 4: Mô hình mạng IBSS và BSS 26

Hình 33 - Thủ tục lựa chọn PNC 77
Hình 34: Tổ chức mạng không dây của chuẩn 802 78
Hình 35 Sƣ
̣
tƣơng đô
̀
ng giƣ
̃
a C++ và OTcl 84
Hình 36 Tổng quan về NS từ góc nhìn của ngƣời sử dụng 84
Hình 37: Mô hình mạng của chuẩn 802.15.3 88
Hình 38: Mô hình hàng đợi 89
Hình 39: Kết quả mô phỏng cơ chế hàng đợi WRR 93
Hình 40: Kết quả mô phỏng cơ chế hàng đợi SRPT 95
Hình 41: Kết quả mô phỏng cơ chế hàng đợi CBS 97
Hình 42: Kết quả mô phỏng cơ chế hàng đợi IRSA 99
Hình 43: Kết quả tổng hợp so sánh các cơ chế hàng đợi 100
Hình 44: Kết quả tổng hợp so sánh 4 flow 102
Hình 45: Kết quả tổng hợp so sánh 3 chuẩn không dây 104
Trong những năm gần đây, truyền thông không dây đã có những quá trình phát
triển vượt bậc đặc biệt là mạng không dây. Mạng không dây được phát triển mạnh
mẽ do quá trình trao đổi dữ liệu gia tăng mãnh liệt ở môi trường không dây.
Chuẩn mạng không dây 802.15.3 ra đời bởi sự mong mỏi của đại đa số người
sử dụng – cá nhân, gia đình đó là giá thành thấp, các thiết bị sử dụng các công nghệ
không dây được chuẩn hoá mang tính cộng đồng. Mạng cá nhân sử dụng công nghệ
không dây “wireless personal area networks (WPAN)”. 802.15.3 là chuẩn cho các
mạng LAN không dây (WLAN) nhằm cho đối tượng là người sử dụng trong gia
đình, nhằm đạt được việc kết nối có giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng, dải thông
lớn, tốc độ cao, có thể tới 480 Mbps trong cự ly 3m. Mạng LAN theo chuẩn không
dây 802.15.3 giúp chúng ta có thể kết nối mọi nơi trong khu vực được triển khai
(nhà hay văn phòng) vì chuẩn 802.15.3 được xây dựng cho các thiết bị USB không
dây, các thiết bị có tính chất di động (như máy chiếu, camera, ) nên rất thuận tiện
trong việc di chuyển. Mạng LAN theo chuẩn không dây 802.15.3 giúp chúng ta kết
nối bất kỳ khi nào và trong tương lai nó là yếu tố hình thành “ngôi nhà thông minh”
vì các thiết bị gia đình có thể tích hợp chuẩn không dây 802.15.3 dễ dàng. Các
mạng LAN theo chuẩn 802.15.3 rất có triển vọng trong tương lai gần. Đó là lý do
thúc đẩy tôi chọn đề tài nghiên cứu này.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn này được bố cục như sau:
Chương 1: Tổng quan về mạng Internet và mạng không dây.
Chương 2: Các chuẩn về mạng LAN cơ bản.
Chương 3: Mạng theo Chuẩn 802.15.3
Chương 4: Đánh giá hiệu suất của mạng 802.15.3 bằng mô phỏng.
12

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG INTERNET VÀ MẠNG
KHÔNG DÂY
1.1 Sự ra đời của mạng máy tính và mạng Internet
Những tiến bộ nhanh chóng của công nghiệp điện tử và vi điện tử dẫn
đến sự ra đời và phát triển của máy tính điện tử. Các thế hệ máy tính liên tục

giao thức sử dụng Datagram để thực hiện trong chuyển mạch gói (packet-
switch network). Sử dụng truyền Datagram, mỗi gói được coi như một thực
thể riêng biệt và có tiêu đề với đầy đủ thông tin về nơi gửi và nơi nhận. Một
mạng lưới Datagram gửi đi một thông điệp tương tự như một loạt các bưu
thiếp được gửi đi thông qua hệ thống bưu điện. Mỗi bưu thiếp được gửi đến
đích theo cách độc lập. Để nhận được thông báo toàn bộ, người nhận phải thu
thập toàn bộ các bưu thiếp và sắp xếp chúng lại theo thứ tự của bản gốc.
Trong mạng sử dụng gói Datagram là không tin cậy vì nó không có kiểm
soát các vấn đề như bên nhận đã nhận đủ chưa, có trùng lặp không, đúng thứ
tự không …. Do đó, các ứng dụng không cần độ tin cậy cao mới sử dụng giao
thức UDP, ví dụ như Video trên Internet, bài hát trên Internet vv… Hầu hết
các ứng dụng trên Internet đều bổ sung thêm chức năng để tăng độ tin cậy. Ví
dụ như gửi email, duyệt WEB hoặc truyền file bằng giao thức FTP. Độ tin cậy
được nhắc đến đó là đảm bảo cho bên nhận sẽ nhận đủ các gói tin, không
trùng lặp và đúng thứ tự. Chức năng bổ sung hay được nhắc đến đó là giao
thức TCP. Trong giao thức TCP sử dụng thuật ngữ segment để chỉ đơn vị dữ
liệu của giao thức, các segment được đánh số thứ tự để bên nhận có thể ghép
dữ liệu lại một cách chính xác.
Mục tiếp theo chúng ta sẽ đề cập chi tiết mô hình TCP/IP và so sánh với mô
hình OSI để hiểu rõ hơn về TCP/IP được chọn làm chuẩn giao tiếp trong
Internet.
1.2. Mô hình quy chiếu OSI và Mô hình TCP/IP
Chúng ta biết rằng việc thông qua mô hình TCP/IP không xung đột với
mô hình quy chiếu OSI. Trong một số cách thức, mô hình TCP/IP đã đóng
14

góp cho mô hình OSI và ngược lại. Một số khác biệt quan trọng của mô hình
TCP/IP so với mô hình OSI đó là:
• Một tập phổ biến các ứng dụng.
• Định tuyến động.

đảm dữ liệu đến nơi mà không có lỗi và theo đúng thứ tự. Để làm được điều
đó, tầng giao vận cung cấp giao thức TCP, trong quá trình trao đổi thông tin
nơi nhận sẽ gửi ngược trở lại một gói tin xác nhận (ACK) và nơi gửi sẽ truyền
lại những gói dữ liệu bị mất (không được xác nhận). Tuy nhiên trong những
môi trường truyền dẫn tốt như cáp quang chẳng hạn thì việc xảy ra lỗi là rất
nhỏ. Tầng giao vận có cung cấp một giao thức khác đó là UDP.
Tầng Internet: Nhiệm vụ cơ bản của tầng này là xử lý việc liên lạc của các
thiết bị trên mạng. Nó nhận yêu cầu từ tầng giao vận cùng với định danh của
máy mà gói dữ liệu phải gửi đến. Nó sử dụng các giao thức định tuyến để
chuyển gói tin đến đích của nó hoặc trạm kế tiếp. Đối với những packet được
router xác định máy gửi và máy nhận thuộc cùng mạng cục bộ, phần mềm
Internet sẽ cắt bỏ phần đầu của packet, và chọn một trong các giao thức tầng
chuyên trở thích hợp để xử lý chúng. Cuối cùng, tầng Internet gửi và nhận các
thông điệp kiểm soát và xử lý lỗi ICMP.
Tầng truy nhập mạng: Tầng thấp nhất của mô hình TCP/IP chính là tầng
truy nhập mạng, có trách nhiệm nhận các IP datagram và truyền chúng trên
một mạng nhất định. Người ta lại chia tầng truy nhập mạng thành 2 tầng con
là:
16

Tầng liên kết dữ liệu: Tại đây dữ liệu được tổ chức thành các khung (frame).
Phần đầu khung chứa địa chỉ và thông tin điều khiển, phần cuối khung dành
cho viêc phát hiện lỗi. Tầng liên kết dữ liệu lại được chia làm hai tầng con
nhằm tách biệt việc giao tiếp giữa tầng trên và tầng dưới, đó là: tầng điều
khiển truy nhập môi trường truyền MAC (Medium Access Control) và tầng
điều khiển Liên kết logic LLC (Logic Link Control).
TẦNG VẬT LÝ
Medium Access Control
Logic Link Control
TẦNG LIÊN KẾT DỮ LIỆU

cứu đã tìm đến giải pháp sử dụng cáp có dạng tựa đường dây điện thoại, đó là
4 cặp cáp xoắn gọi là UTP, với loại cáp này có thể dễ dàng tạo thành các kiến
trúc mạng dạng sao phổ biến cho mạng LAN hiện nay. Các kiến trúc mạng
kiểu LAN thông dụng bao gồm:
Mạng bus hay mạng tuyến tính Tất cả các thiết bị nối mạng bằng một sợi cáp
đồng trục, với việc sử dụng các bộ nối T-connector, BNC-connector, cuối
đường cáp cần nối với một bộ phối hợp trở kháng sóng là Terminator.
Ethernet (chuẩn 802.3) sử dụng kiến trúc mạng bus với cơ chế CSMA/CD
nên khi tải mạng nặng, thường xảy ra ùn tắc bởi việc tranh chấp sử dụng
đường truyền chung. Do đó các nhà nghiên cứu đưa ra cơ chế Token (thẻ bài),
đó là 1 gói tin điều khiển để thực hiện việc kiểm soát truy cập mạng theo các
mức ưu tiên khác nhau, đảm bảo tránh được xung đột trong mạng.
Mạng vòng (Ring). Các thiết bị (trạm) được mắc nối tiếp với nhau tạo thành
một vòng khép kín, do đó, mỗi trạm được kết nối trực tiếp đến 2 trạm khác kề
bên nó. Kết nối kiểu mạng vòng khá tốn cáp nối nhưng nó cung cấp băng
18

thông cao và khoảng cách có thể lớn. Mạng Token ring (chuẩn 802.5) có topo
dạng vòng và sử dụng thẻ bài.
o Mạng sao Các trạm (thiết bị) cùng nối vào 1 thiết bị trung gian. Thiết bị
trung gian này có chức năng trung chuyển gói tin và định tuyến. Ban đầu,
Hub là thiết bị trung chuyển nhưng nó chuyển gói tin đi đến tất cả các trạm
khác nối với Hub và không có định tuyến nên dễ xảy ra nghẽn mạng. Sau
này, các nhà nghiên cứu đã cải tiến đưa thêm vào khả năng định tuyến cho
thiết bị trung gian mà ngày nay vẫn đang sử dụng phổ biết đó là switch,
một loại thiết bị trung gian cao cấp hơn chính là router.
1.3.2. Mạng LAN không dây -WLAN
WLAN là một loại mạng LAN, nó cung cấp tất cả các tính năng và lợi
ích của mạng LAN truyền thống có dây như Ethernet, nhưng việc kết nối giữa
các thành phần trong mạng không sử dụng các loại cáp như một mạng thông

cấp biện pháp phòng chống truy cập và biện pháp an ninh là cần thiết để bảo
đảm chỉ những người dùng được cấp quyền mới có thể truy cập mạng WLAN
của bạn.
Một tín hiệu mạng WLAN có thể được phát sóng trải trong khu vực khác
nhau, có kích thước từ một văn phòng nhỏ đến khuôn viên rộng lớn. Phổ biến
nhất, WLAN cung cấp truy cập trong vòng bán kính 20m -90m.
1.3.3 Các loại mạng không dây và một số chuẩn an ninh
Việc phân loại các mạng không dây được các nhà khoa học thực hiện
dựa trên các đặc điểm kỹ thuật và sử dụng, sau đây chúng ta sẽ xem xét các
loại mạng không dây.
 WLAN gia đình và doanh nghiệp nhỏ (Home WLAN)
WLAN này chủ yếu sử dụng một hoặc hai điểm truy cập (Access Point)
để truyền tín hiệu xung quanh bán kính 30m-60m. Các thiết bị loại
WLAN gia đình là Office Max, Radio Shack, Target, và Walmart.
Chuẩn an ninh WLAN gia đình thường tuân thủ theo chế độ WPA2
(Wi-Fi Protected Access 2). Có 1 vài trường hợp ngoại lệ, phần cứng
cũng có chuẩn 802.11a,b hoặc g. Hiện nay, xuất hiện thêm chuẩn mới
trong nhóm WLAN là 802.11n.
20

 WLAN cho doanh nghiệp lớn
Loại này, sử dụng nhiều điểm truy cập (Access Point) để nối với nhau
phục vụ cho khu vực rộng lớn (Wide Area). Do đó các Access Point có
nhiều tính năng và yêu cầu cao hơn so với Access Point dành cho
WLAN gia đình ví như việc xác thực phải tốt hơn, an ninh cao, quản lý
từ xa và công cụ để tích hợp với mạng hiện có. Các Access Point phải
phủ sóng được rộng hơn và được thiết kế để làm việc cùng nhau giữa
các Access Point nhằm phủ được diện tích lớn gấp bội so với khả năng
của 1 Access Point. Do đó, các chuẩn phải được phổ biến để cùng tích
hợp trong các thiết bị khi chia sẻ sẽ theo chuẩn chung và bây giờ ta biết

thiết bị theo chuẩn 802.11g tương thích với các thiết bị theo chuẩn
802.11b nhưng chỉ chạy ở tốc độ của 802.11b khi cùng hoạt động. Nó
cùng chung tần số 2.4Ghz nên cũng có các nhược điểm như 802.11b.
Chuẩn 802.11n: Tuy chưa được phê duyệt nhưng chuẩn này dự kiến
cho phép truyền với tốc độ lên tới 600Mbps và phạm vi gấp đôi so với
chuẩn 802.11b/g.
Nhìn chung, các thiết bị không dây phụ thuộc nhiều vào nhà sản xuất
và môi trường hơn là tiêu chuẩn. Sau đây chúng ta tiếp tục xét đến 1 số
chuẩn an ninh được sử dụng cho chuẩn 802.11x cung cấp.
WEP (Wired Equivalent Privacy): đây là một trong những chuẩn an
ninh cho WLAN ra đời sớm nhất, WEP ban đầu được tạo cho 802.11b
để cung cấp mức độ đảm bảo an ninh tương đương như với các mạng
LAN có dây, nhưng dần sử dụng phù hợp cho chuẩn 802.11a. Nhiều
nhà phân tích bảo mật cho rằng an ninh của WEP là yếu và dễ bẻ khóa
bởi mức độ mã hóa của WEP tương đối yếu (chỉ 40-128bit).
WPA (Wi-Fi Protected Access): WPA thực hiện bảo mật cao hơn
WEP. Nó là biện pháp trung gian để phát triển lên chuẩn 801.11i. WPA
22

bao gồm một cặp tiêu chuẩn nhỏ hơn với công việc phục vụ thực hiện
bảo mật ở khía cạnh khác nhau:
* TKIP (Temporal Key Integrity Protocol encryption), mã hóa tín hiệu
không dây.
* 802.1x dùng để xử lý các chứng thực của người sử dụng mạng.
Thông thường, hệ thống không dây chỉ kiểm soát đăng nhập qua
Access Point của cá nhân hoặc mạng chung, nhưng một số hệ thống
cao cấp hơn chỉ cho truy cập vào mạng dữ liệu (ví dụ VPN) khi người
đăng nhập cung cấp thêm chứng thực người dùng. 802.1x dùng để xác
thực trong mạng không dây. Điều này làm tăng an ninh, do lưu lượng
truy cập trái phép có thể bị từ chối ngay tại các điểm truy cập không

PHY với 2 đề xuất sử dụng: MB-OFDM UWB (được trình bày chi tiết
trong chương 3, mục 3.2.1) hỗ trợ bởi hiệp hội liên minh mạng không
dây và Direct Sequence - UWB (DS-UWB) được hỗ trợ bởi diễn đàn
UWB.
3b (Cải tiến MAC): IEEE 802.15.3b nhằm cải tạo 802.15.3 để phát
triển tính khả thi và tương tác bên trong của MAC. Ngoài ra, phần này
nhằm sửa các lỗi, các mục chưa rõ ràng và đưa thêm 1 số vấn đề khác.
3c WPAN (mmWave WPAN): Nhóm làm việc 3c của IEEE (TG3c)
được thành lập tháng 3 năm 2005, nhằm phát triển tầng vật lý sử dụng
sóng milimet cho chuẩn WPAN 802.15.3-2003. TG3c dự kiến hoàn
thiện vào tháng 5/2008. mmWave WPAN xử lý trên dải tần 57-64GHz
không cần cấp phép, được quy định bởi FCC, với ký hiệu FCC 47 CFR
15.255.
24

Ngoài ra, mmWave WPAN cho phép các ứng dụng truyền dữ liệu với
tốc độ cao trên 2Gbit/s như truy cập internet tốc độ cao. Khả năng
truyền dữ liệu ở mức 3Gbit/s sẽ đạt được trong thời gian tới.
Nhóm thực hiện 4 – LR-WPAN (Low Rate WPAN)
Tương tự nhóm 3, nhóm 4 cũng được phát triển theo các giai đoạn khác
nhau, được trình bày dưới đây.
4 (Low Rate WPAN) ZigBee
IEEE 802.15.4-2003 (Low Rate WPAN) truyền dữ liệu với tốc độ thấp
nhất nhưng tuổi thọ của PIN rất lâu (tháng, thậm chí cả năm) và độ
phức tạp thấp. Mạng ZigBee là mạng không dây cá nhân chi phí thấp,
tiêu hao điện năng thấp. Do chi phí thấp nên kỹ thuật này được phát
triển rộng cho các ứng dụng điều khiển hoặc giám sát không dây.
4a (WPAN Low Rate Alternative PHY) : Nhóm này tập trung nghiên
cứu việc cung cấp thông tin có độ chính xác cao, có thông lượng cao và
tiêu thụ năng lượng thấp.

Một mạng theo mô hình BSS sẽ tập trung giải quyết vấn đề truy cập và
vấn đề kiểm soát một nhóm các thiết bị mạng không dây thông qua 1 thiết bị
trung tâm gọi là Access Point – AP là là một thiết bị đóng vai trò trung tâm.

26 Hình 4: Mô hình mạng IBSS và BSS

Bất kỳ thiết bị không dây nào muốn dùng hạ tầng mạng đầu tiên phải thực
hiện một số bước để trở thành thành viên của AP và cần thỏa mãn một số yêu
cầu sau:
- SSID phải giống nhau.
- Có tốc độ truyền dữ liệu tương thích với AP.
Mối quan hệ của một trạm với một AP được gọi là một kết hợp (association).
Máy trạm phải gửi một thông điệp có chứa yêu cầu kết hợp. Sau đó AP sẽ gán
quyền hay từ chối yêu cầu trên bằng cách gửi ra một thông điệp trả lời. Khi đã
được kết hợp thành công, tất cả các truyền thông vào/ra từ máy trạm phải
thông qua AP. Hoạt động này minh họa ở hình B trong hình vẽ 4 bên trên.
Các máy trạm không còn có thể giao tiếp với nhau như trong mô hình adhoc
trước đây nữa (mô hình IBSS).
Thiết bị AP không phải là một thiết bị hoàn toàn bị động giống như một
Ethernet hub. Một AP quản lý mạng không dây của nó, quảng bá sự tồn tại
của chính nó sao cho các máy trạm có thể kết hợp, sau đó AP sẽ kiểm soát
tiến trình kết hợp này.
Ngoài ra, bất chấp trạng thái kết hợp là như thế nào, một máy trạm có khả
năng lắng nghe hoặc nhận các frame được gửi thông qua hạ tầng không dây.
27

Các frame thì “trôi nổi” trong không khí, và do đó có thể được bất cứ thiết bị