CÔNG NGHỆ WIFI LÀ GÌ?

Giới thiệu chuẩn giao thức WLAN (Wireless Local Area Network) – IEEE 802.11

Chuẩn giao thức mạng WLAN – IEEE 802.11 – cho phép những người sử dụng truy cập vào mạng LAN và mạng Internet mà không cần kết nối dây cáp với cơ sở hạ tầng mạng. Trước khi giao thức 802.11b được áp dụng rộng rãi vào đầu những năm 2000,  việc truy cập mạng nội bộ LAN đòi hỏi kết nối vật lý thông qua dây cáp. Các giao thức IEEE 802.11 được tạo thành từ sự xếp đặt của các kỹ thuật điều chế truyền dẫn khác nhau trên môi trường không khí (over-the-air) với cùng các nguyên tắc cơ bản như nhau. Các giao thức được sử dụng rộng rãi trong dãi tần 2,4GHz là 802.11b, 802.11g, 802.11n và trong dãi tần 5GHz là 802.11a, 802.11n và gần đây là 802.11ac.

Lợi ích của việc sử dụng mạng WiFi chuẩn 802.11

Kết nối vô tuyến có thể thay thế cơ sở hạ tầng có dây hoặc mở rộng hệ thống mạng LAN hiện có
Đối với các ứng dụng mà không thích hợp với việc lắp đặt cáp hoặc chi phí quá tốn kém, mạng WiFi  802.11 có thể được sử dụng trong những trường hợp sau đây:

• Kết nối hai mạng LAN trong các tòa nhà riêng biệt trên các khoảng cách xa hoặc có các chướng ngại cản trở để kết nối bằng dây cáp. Việc kết nối vô tuyến giúp cho doanh nghiệp không phải thuê bao một đường dây kết nối riêng (leased line)  của nhà cung cấp dịch vụ viễn thông , nhờ đó cũng tiết kiệm chi phí đáng kể.

• Thiết lập tạm thời mạng WiFi 802.11 cho các tình huống khẩn cấp như hội nghị, triển lảm, hỏa hoạn, bảo lụt,..

• Đảm bảo tính thẩm mỹ cho những nơi không yêu cầu lắp đặt dây cáp như trong các di tích kiến trúc.

• Đảm bảo liền mạch việc kết nối mạng LAN hoặc mạng Internet khi người dùng IPad,/ Iphone vừa sử dụng vửa di chuyển trong phạm vi tòa nhà hoặc khu vực.

• Thiết lập mạng WiFi công công (WiFi Hotspot) để truy cập Internet trong sân bay, khách sạn và trung tâm bán hàng.

Các chế độ hoạt động mạng WiFi chuẩn 802.11

• Chế độ Infrastructure: được sử dụng khi có ít nhất một điểm truy cập (AP – Access Point) kết nối vào mạng LAN hay mạng Internet và có ít nhất một trạm khách hàng (client). Trạm khách hàng (laptop, máy tính bảng, điện thoại thông minh) kết nối vô tuyến vào mạng LAN hay mạng Internet thông qua điểm truy cập (AP).
• Chế độ Ad-Hoc: được sử dụng khi các trạm khách hàng (clients) trực tiếp kết nối vô tuyến  với nhau mà không cần phải thông qua một điểm truy cập (AP). Điều này cũng được gọi là chế độ chia sẻ ngang hàng (peer-to-peer).
• Phần lớn các mạng WiFi theo chuẩn 802.11 hoạt động trong chế độ Infrastructure.
• Thông tin thêm về phương pháp ứng dụng cho các mạng vô tuyến 802.11 có thể được tìm thấy trong phần giới thiệu Công nghệ 2.4GHz và Công nghệ 5GHz.

Các chuẩn mạng 802.11 phổ biến

• 802.11a: Chuẩn giao thức 802.11a sử dụng cùng giao thức lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer) và định dạng frame như các chuẩn ban đầu 802.11-1997, nhưng dùng kỹ thuật OFDM cho truyền dẫn lớp vật lý. Dãi tần hoạt động của nó là băng tần 5GHz và có tốc độ truyền dẫn tối đa 54Mbps. Do dãi tần 2.4GHz đã trở nên quá tải (nhiều thiết bị dân dụng cũng sử dụng chung dãi tần này) nên việc sử dụng chuẩn 802.11a mang lại một lợi thế đáng kể. Tuy nhiên, phạm vi phủ sóng hiệu quả của 802.11a trong dãi tần 5GHz là thấp hơn so với các chuẩn giao thức 802.11b/g/n trong dãi tần 2,4GHz, do bởi tín hiệu hoạt động ở dãi tần cao hơn sẽ dễ dàng bị hấp thụ bởi các vật thể rắn hơn như tường, thép, cây cối… . Tuy nhiên,  chuẩn 802.11a và 802.11n lại ít chịu ảnh hưởng của nhiễu trong dãi tần 5GHz, do đó nhiều lúc chúng lại có phạm vi phủ sóng tương tự hoặc thậm chí lớn hơn 802.11b/g/n.

• 802.11b: Là chuẩn mạng không dây 802.11 đầu tiên được áp dụng rộng rãi. Nó có tốc độ truyền dẫn tối đa 11Mbps và sử dụng phương thức truyền thông giống như của các chuẩn của 802.11-1997. 802.11b hoạt động trên dãi tần số 2.4GHz, nó chịu ảnh hưởng rất nhiều từ nhiễu do hoạt động cùng tần số với những thiết bị dân dụng khác như các thiết bị Bluetooth, điện thoại không dây DECT và VoIP, lò vi sóng, …

• 802.11g:  Là bước cải tiến kế tiếp từ 802.11b và vẫn hoạt động trên dãi tần 2.4GHz nhưng sử dụng kỹ thuật truyền dẫn OFDM. Nó có tốc độ truyền dẫn tối đa 54Mbps và tương thích ngược với phần cứng của chuẩn 802.11b. Đây là chuẩn công nghiệp tiếp theo và một lần nữa được áp dụng rộng rãi cho các ứng dụng mạng WLAN do tốc độ truyền tải dữ liệu tăng lên. Tương tự như 802.11b, các thiết bị 802.11g đều có thể bị ảnh hưởng xuyên nhiễu từ những thiết bị dân dụng khác hoạt động trên dãi tần 2.4GHz. Kỹ thuật OFDM được cho phép tại những tốc độ trên 20Mbps làm tăng đáng kể khả năng NLoS (Non-Line-of-Sight).

• 802.11n: Chuẩn 802.11n là một phiên bản để nhằm cải thiện các chuẩn trước đó bằng cách thêm vào anten công nghệ MIMO (Multiple Input-Multiple Output)  và hoạt động trên cả dãi tần 2.4GHz  và 5GHz với độ rộng kênh là 40 MHz (tùy chọn). Chuẩn 802.11n tương thích ngược với chuẩn 802.11a, b và g. Khác với chuẩn 802.11g, kỹ thuật OFDM trong 802.11n được cho phép hoạt động trên toàn bộ dãi các tốc độ truyền dẫn,  nhờ đónâng cao đáng kể khả năng NLoS (Non-Line-of-Sight).

MIMO sử dụng nhiều anten thông minh để xử lý một lượng dữ liệu lớn hơn so với xữ lý bằng một anten duy nhất. Bằng cách sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo không gian SDM (Spatial Division Multiplexing), máy trạm (client) có thể truyền nhiều luồng dữ liệu độc lập cùng một lúc trên một kênh và nhờ đó làm tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu thực tế (data rate) giữa máy trạm (client) và điểm truy cập (AP).
Khả năng tăng gấp hai độ rộng kênh (channel size) – từ 20MHz đến 40MHz – trên các thiết bị tương thích với chuẩn 802.11n cũng cho phép  tăng gấp hai lần tốc độ truyền dẫn dữ liệu trên lớp vật lý .
Việc hai tính năng trên được kết hợp mang lại cho chuẩn 802.11n khả năng nâng cao tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa khi so sánh với 802.11g ở 2.4GHz và 802.11a ở 5GHz . Nó có thể lên đến 600Mbps (trên lý thuyết) khi truyền đồng thời trên 4 luồng dữ liệu và độ rộng kênh 40MHz.  Vì vậy 802.11n đang trở thành tiêu chuẩn phổ biến hiện nay.

•  802.11ac: 802.11ac hoạt động ở tân số 5GHz sử dụng OFDM dựa vào sự điều chế. Các đặc điểm kỹ thuật cho thấy tốc độ băng thông WLAN ít nhất 1Gbps và một liên kết đơn lẻ có tốc độ băng thông ít nhất là 500Mbps. Điều này đạt được bởi khái niệm mở rộng từ chuẩn 802.11n cho các kênh với băng thông rộng RF( lên đến 160MHz, 80Mhz bắt buộc), hơn thế nữa luồng dữ liệu được truyền đi với công nghệ đa Anten lên đến 8 luồng dữ liệu (Spatial streams ), nhiều người dùng MIMO (multi-user MIMO) và dùng cho nơi có mật độ người dùng cao(lên đến 256-QAM) .

Dưới đây là bảng so sánh các đặc điểm của bốn chuẩn đề cập ở trên:

Các chuẩn WiFi 802.11
Giao thức 802.11	Phát hành	Dãi tần	Độ rộng kênh	Tốc độ dữ liệu mỗi luồng (Mbps)	Số luồng cho phép	Điều chế	Phạm vi trong nhà (m)	Phạm vi ngoài trời  (m)
–	Jun-97	2.4	20	Lên tới 2	1	DSSS, FHSS	20	100
a	Sep-99	5	20	Lên tới 54	1	OFDM	35	120
b	Sep-99	2.4	20	Lên tới 11	1	DSSS	38	140
g	Jun-03	2.4	20	Lên tới 54	1	OFDM, DSSS	38	140
n	Oct-09	2.4/5	20   40	Lên tới 72.2 Lên tới 150	4	OFDM	70   70	250   250
ac	Dec-12	5	80/160	Lên tới 866	8	OFDM

 Như đã giải thích trong các bài viết công nghệ 2.4GHz và cộng nghệ 5GHz, tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa (max. data rate) trên thiết bị không phải là tốc độ truyền dẫn dữ liệu thực tế (tùy thuộc cự ly, môi trường chung quanh, chiều cao cột anten, ..) và cũng không phải là tốc độ truyền dữ liệu hữu ích (throughput  – thông lượng).

Các chuẩn WiFi 802.11
Giao thức 802.11	Tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa (Mbps)	Tốc độ truyền dẫn dữ liệu hữu ích (Mbps)
802.11a	54	≈ 27.5
802.11b	11	≈ 4.5
802.11g (có khả năng tương thích 802.11b)	54	≈ 14.5
802.11g	54	≈ 23
802.11g MIMO	108	≈ 45
802.11n	300	≈ 74
802.11n	600	≈ 144
802.11ac	1.3Gbps	≈ 800

Kênh (Channel)

Đối với dãi tần số 2.4GHz, băng tần từ 2.4000GHz đến 2.4835GHz được chia thành 13 kênh với băng thông mỗi kênh là 25MHz và khoảng cách kênh là 5MHz (tính ở hai đỉnh kênh). Đối với dãi tần số 5 GHz, các băng tần từ 5.180GHz đến 5.805GHz được chia thành 23 kênh với băng thông mỗi kênh khoảng 20MHz và khoảng cách kênh 20MHz. Các kênh này được trình bày dưới đây :

Các kênh 2.4GHz		Các kênh 5 GHz
Kênh	Tần số (MHz)	Kênh	Tần số (MHz)
1	2412	36	5180
2	2417	40	5200
3	2422	44	5220
4	2427	48	5240
5	2432	52	5260
6	2437	56	5280
7	2442	60	5300
8	2447	64	5320
9	2452	100	5500
10	2457	104	5520
11	2462	108	5540
12	2467	112	5560
13	2472	116	5580
14	2484	120	5600
		124	5620
		128	5640
		132	5660
		136	5680
		140	5700
		149	5745
		153	5765
		157	5785
		161	5805

 Kênh 1, 6 và 11 được đề nghị cho hoạt động ở dãi tần 2.4GHz để tránh chồng lấn việc sử dụng kênh. Còn tất cả các kênh hoạt động trong dãi tần 5GHz là không chồng lấn. Sự chồng lấn của các kênh trên dãi tần số 2.4GHz được thể hiện trong sơ đồ dưới đây:

 

An ninh

 Truyền dẫn vô tuyến 802.11 sử dụng các kỹ thuật an ninh khác nhau nhằm đảm bảo tính riêng tư (confidence), tính xác thực (authentication) và tính toàn vẹn (integrity) dữ liệu. WEP (Wired Equivalent Privacy), WPA (WiFi Protected Access) và WPA2 là ba kỹ thuật an ninh phổ biến trong đó WPA2 dùng bộ mã AES với tính bảo mật rất cao. Còn việc xác thực người dùng thì sử dụng Pre- Shared Key cho hộ gia đình và doanh nghiệp nhỏ (SOHO) và sử dụng máy chủ xác thực RADIUS cho doanh nghiệp lớn (Enterprise).

Các chuẩn 802.11

Để tham khảo thêm, dưới đây là danh sách của tất cả các tiêu chuẩn 802.11 hiện tại và đề xuất:

• 802.11 -1997: Chuẩn WLAN gốc với tốc độ 1 Mbps và 2 Mbps, 2.4GHz RF và tiêu chuẩn hồng ngoại (1997), tất cả những chuẩn khác được liệt kê dưới đây là sửa đổi chuẩn này
• 802.11 a: 54 Mbps, chuẩn 5GHz (ra đời năm1999, sản phẩm thương mại hóa vào năm 2001)
• 802.11 b: Cải tiến 802.11 hỗ trợ tốc độ 5.5 và 11 Mbps (1999)
• 802.11 c: Qúa trình hoạt động cầu liên kết, bao gồm trong các tiêu chuẩn IEEE 802.1D (2001)
• 802.11 d: Mở rộng chuyển vùng quốc tế (country-to-country) (2001)
• 802.11 e: Cải tiến QoS, bao gồm đóng gói theo cụm (packet brusting) (2005)
• 802.11 g: Đạt 54 Mbps, chuẩn 2.4GHz (tương thích ngược với 802.11b) (2003)
• 802.11 h: Quản lý phổ tần của 802.11a (5GHz) cho khả năng tương thích tại châu Âu (2004)
• 802.11 i: Tăng cường bảo mật (2004)
• 802.11 j: Mở rộng cho Nhật Bản (2004)
• 802.11 -2007: Một chuẩn phiên bản mới bao gồm sửa đổi a, b, d, e, g, h, i và j. (7/2007)
• 802.11 k: Cải tiến khả năng quản lý, đo lường tài nguyên vô tuyến (2008)
• 802.11 n: Cải thiện thông lượng cao hơn qua việc sử dụng công nghệ MIMO (nhiều anten đầu vào, nhiều anten đầu ra), hỗ trợ cả 2.4GH và 5GHz (9/2009)
• 802.11 p: Hỗ trợ truy cập vô tuyến trên phương tiện vận tải –WAVE, môi trường xe cộ (ví dụ như xe cứu thương, xe khách) (7/2010)
• 802.11 r: Hỗ trợ roaming nhanh, chuyển tiếp giữa các BSS (FT-Fast BSS transition) (2008)
• 802.11 s: Mạng cơ chế Mesh, Bộ thiết lập dịch vụ mở rộng (ESS-Extended Service Set) (6/2011)
• 802.11 u: Quy định tương tác liên mạng với các mạng không thuộc chuẩn 802.11 (ví dụ, mạng điện thoại) (12/2010)
• 802.11 v: Quản lý mạng vô tuyến (WNM- Wireless network management) (12/2010)
• 802.11 w: Framequản lý bảo vệ (Protected Management Frames) (9/2009)
• 802.11 y: Mở rộng băng hoạt động 3650-3700 MHz ở Mỹ (2008)
• 802.11 z: Mở rộng thiết lập đường liên kết trực tiếp (DLS- Direct Link Setup) (9/2010)
• 802.11 mb: Duy trì chuẩn kỹ thuật. Sẽ trở thành chuẩn 802.11-2011. (12/2011)
• 802.11 aa: Hỗ trợ mạnh mẽ luồng Audio Video (Audio Video Transport Streams) (3/2012)
• 802.11 ac: Thông lượng rất cao (Very High Throughput) <6 GHz; Cải tiến tiềm năng so với 802.11n; Điều chế tốt hơn (dự kiến tăng 10% thông lượng); Các kênh rộng hơn (80 MHz hoặc thậm chí là 160 MHz); đa người dùng MIMO (12/2012)
• 802.11ad: Thông lượng rất cao (Very High Throughput) dùng dãi tần 60 GHz (12/2012)
• 802.11 ae: Quản lý QoS (12/2011)802.11 af: TV Whitespace (3/2012)
• 802.11 ah: Sub1Ghz (7/2013)
• 802.11 ai: Thiết lập liên kết khởi tao nhanh (Fast Initial Link Setup)
• 802.11 mc: Bảo dưỡng cho các chuẩn (3/2015)
• 802.11 aj: Sóng cho mạng của Trung Quốc (10/2016)
• 802.11 aq: Tổng hiệp hội khám phá (5/2015)
• 802.11 ak: Liên kết chung (General Links)