Luận văn Nghiên cứu vấn đề chất lượng mạng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WIMAX
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGHIªn cøu vÊn ®Ò chÊt l−îng dÞch vô vµ
An toµn b¶o mËt trong m¹ng WiMAX
PHẠM TUẤN MINH
Hà Nội
HÀ NỘI 2006
2006
-i-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................vii
LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................. 1
Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG WiMAX...................................... 4
1.1 Công nghệ WiMAX ............................................................................. 5
1.1.1 Khái niệm và ứng dụng của WiMAX .......................................... 5
1.1.2 Các phiên bản WiMAX................................................................ 6
1.1.3 Chứng nhận sản phẩm WiMAX................................................... 9
1.1.4 Sự phát triển của công nghệ WiMAX........................................ 11
1.2 Chuẩn 802.16 ..................................................................................... 12
1.2.1 Bộ chuẩn 802.16......................................................................... 12
1.2.2 Chuẩn 802.16-2004 .................................................................... 13
1.2.2.1
1.2.2.2
1.2.2.3
1.2.2.4
1.2.2.5
Mô hình chuẩn 802.16-2004................................................ 13
Lớp con hội tụ...................................................................... 15
Lớp con phần chung ............................................................ 15
Lớp con bảo mật .................................................................. 18
Lớp vật lý............................................................................. 20
1.3 Xu hướng phát triển của mạng không dây băng thông rộng.............. 22
1.3.1 Các công nghệ mạng không dây băng thông rộng ..................... 22
1.3.2 Xu hướng tích hợp các công nghệ mạng.................................... 25
1.4 Kết chương......................................................................................... 27
Chương 2.
KIẾN TRÚC MẠNG WiMAX............................................. 28
2.1 Mô hình lý thuyết............................................................................... 29
2.1.1 Mô hình tổng thể ........................................................................ 29
2.1.2 Mô hình tham chiếu mạng dịch vụ truy cập............................... 32
2.1.3 Mô hình tham chiếu mạng dịch vụ kết nối................................. 35
2.2 Các đặc điểm khi triển khai................................................................ 36
2.3 Bản tin điều khiển .............................................................................. 39
2.4 Kết chương......................................................................................... 42
Chương 3.
VẤN ĐỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ.................................. 43
3.1 Yêu cầu và đặc điểm chung ............................................................... 44
3.2 Mô hình chất lượng dịch vụ ............................................................... 45
3.3 Cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ của IEEE 802.16 ...................... 49
3.3.1 Phân loại luồng dịch vụ.............................................................. 49
3.3.2 Quản trị luồng dịch vụ động....................................................... 51
3.3.2.1
Giao dịch.............................................................................. 51
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-ii-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
3.3.2.2
3.3.2.3
3.3.2.4
Tạo luồng dịch vụ động....................................................... 52
Thay đổi luồng dịch vụ động............................................... 54
Xoá luồng dịch vụ động....................................................... 56
3.3.3 Mô hình kích hoạt 2 pha............................................................. 57
3.4 Hoàn thiện giải pháp chất lượng dịch vụ trong IEEE 802.16............ 58
3.4.1 Phân tích vấn đề.......................................................................... 58
3.4.2 Hoàn thiện cơ chế kiểm soát cho phép....................................... 62
3.4.3 Hoàn thiện vấn đề lập lịch gói tin đường lên ............................. 63
3.4.3.1
3.4.3.2
3.4.3.3
Ý tưởng thuật toán DRR...................................................... 63
Nội dung thuật toán DRR.................................................... 64
Áp dụng thuật toán DRR trong vấn đề lập lịch đường lên.. 68
3.5 Kết chương......................................................................................... 74
Chương 4. VẤN ĐỀ AN TOÀN BẢO MẬT.......................................... 75
4.1 Yêu cầu và đặc điểm chung ............................................................... 76
4.2 Mô hình an toàn bảo mật.................................................................... 78
4.2.1 Mô hình kéo không chuyển vùng............................................... 79
4.2.2 Mô hình kéo có chuyển vùng ..................................................... 81
4.3 Cơ chế an toàn bảo mật của IEEE 802.16.......................................... 83
4.3.1 Liên kết bảo mật ......................................................................... 83
4.3.2 Chứng nhận X.509...................................................................... 85
4.3.3 Giao thức uỷ quyền quản lý khoá riêng ..................................... 86
4.3.4 Giao thức quản lý khoá riêng ..................................................... 88
4.3.5 Mã hoá ........................................................................................ 90
4.4 Phân tích vấn đề an toàn bảo mật của IEEE 802.16 .......................... 91
4.4.1 Tấn công làm mất xác thực ........................................................ 92
4.4.1.1
4.4.1.2
Đối với IEEE 802.11 ........................................................... 92
Đối với IEEE 802.16 ........................................................... 93
4.4.2 Tấn công lặp lại .......................................................................... 94
4.4.2.1
4.4.2.2
Đối với IEEE 802.11 ........................................................... 94
Đối với IEEE 802.16 ........................................................... 94
4.4.3 Tấn công sử dụng điểm truy cập giả danh.................................. 95
4.4.3.1
4.4.3.2
Đối với IEEE 802.11 ........................................................... 95
Đối với IEEE 802.16 ........................................................... 96
4.4.4 Tấn công RNG-RSP ................................................................... 97
4.4.5 Tấn công Auth Invalid.............................................................. 100
4.4.6 Đánh giá và đề xuất .................................................................. 104
4.5 Kết chương....................................................................................... 106
KẾT LUẬN.................................................................................................. 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 109
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-iii-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Phạm vi của hoạt động của IEEE 802.16 và diễn đàn WiMAX..... 8
Hình 1.2 Con đường phát triển của công nghệ WiMAX ............................. 12
Hình 1.3 Mô hình tham chiếu của IEEE 802.16 .......................................... 14
Hình 1.4 Cấu trúc của MAC PDU................................................................ 17
Hình 1.5 Cấu trúc của khung con đường xuống .......................................... 21
Hình 1.6 Cấu trúc của khung con đường lên................................................ 22
Hình 1.7 Phân loại các công nghệ mạng không dây .................................... 23
Hình 1.8 So sánh khả năng của các công nghệ mạng không dây ................ 26
Hình 2.1 Mô hình tham chiếu mạng WiMAX ............................................. 29
Hình 2.2 Mô hình tham chiếu mạng dịch vụ truy cập.................................. 33
Hình 2.3 Mô hình tham chiếu cổng mạng dịch vụ truy cập......................... 34
Hình 2.4 Mô hình tham chiếu mạng dịch vụ kết nối.................................... 36
Hình 2.5 Quan hệ kinh tế giữa các thành phần khi triển khai...................... 37
Hình 2.6 Quan hệ kết nối giữa các thành phần triển khai............................ 38
Hình 2.7 Ngăn xếp giao thức truyền thông các bản tin điều khiển.............. 39
Hình 2.8 Cấu trúc bản tin điều khiển ........................................................... 40
Hình 3.1 Mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ ........................................... 46
Hình 3.2 Tạo mới luồng dịch vụ động bởi SS.............................................. 53
Hình 3.3 Tạo mới luồng dịch vụ động bởi BS ............................................. 54
Hình 3.4 Xoá luồng dịch vụ động bởi SS .................................................... 56
Hình 3.5 Xoá luồng dịch vụ động bởi BS.................................................... 57
Hình 3.6 Kiến trúc chất lượng dịch vụ đường lên của IEEE 802.16 ........... 59
Hình 3.7 Ví dụ minh hoạ thuật toán DRR (1).............................................. 67
Hình 3.8 Ví dụ minh hoạ thuật toán DRR (2).............................................. 67
Hình 3.9 Thuật toán DRR áp dụng trong bộ lập lịch gói tin đường lên ...... 71
Hình 4.1 Khung làm việc AAA không chuyển vùng tổng quát................... 79
Hình 4.2 Khung làm việc AAA không chuyển vùng dựng mới .................. 80
Hình 4.3 Khung làm việc AAA không chuyển vùng khi mạng dịch vụ kết
nối không tương thích AAA.......................................................... 81
Hình 4.4 Khung làm việc AAA chuyển vùng tổng quát.............................. 81
Hình 4.5 Khung làm việc AAA chuyển vùng dựng mới ............................. 82
Hình 4.6 Khung làm việc AAA chuyển vùng khi mạng dịch vụ kết nối
không tương thích AAA................................................................ 82
Hình 4.7 Quá trình mã hoá sử dụng DES-CBC trong IEEE 802.16............ 91
Hình 4.8 Tấn công làm mất xác thực sử dụng RES-CMD........................... 93
Hình 4.9 Quá trình tấn công RNG-RSP....................................................... 98
Hình 4.10 Máy trạng thái uỷ quyền đánh dấu bản tin Auth Invalid ............ 104
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-iv-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Các bản mô tả chứng nhận cho WiMAX cố định......................... 10
Bảng 1.2 Các bản mô tả chứng nhận cho WiMAX di động......................... 10
Bảng 1.3 Các dạng PHY............................................................................... 20
Bảng 4.1 Các khoá sử dụng với SA.............................................................. 85
Bảng 4.2 Ý nghĩa các ký hiệu trong bản tin giao thức PKM Authorization 88
Bảng 4.3 Ý nghĩa các ký hiệu trong bản tin giao thức PKM........................ 90
Bảng 4.4 Cấu trúc của bản tin RNG-RSP..................................................... 97
Bảng 4.5 Nội dung bản tin RNG-RSP.......................................................... 99
Bảng 4.6 Định dạng của bản tin PKM........................................................ 100
Bảng 4.7 Mã của bản tin PKM ................................................................... 101
Bảng 4.8 Các thuộc tính của bản tin Key Reject........................................ 102
Bảng 4.9 Các thuộc tính của bản tin Auth Invalid...................................... 103
Bảng 4.10 Các giá trị mã lỗi của bản tin Authentication.............................. 103
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-v-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT
STT Thuật ngữ
Giải nghĩa
1. Access Service Network Mạng dịch vụ truy cập
(ASN)
2. Access Service Network Cổng mạng dịch vụ truy cập
Gateway (ASN-GW)
3. Admission Control (AC) Kiểm soát cho phép
4. Authentication,
Authorization and
Accounting (AAA)
Xác thực, uỷ quyền và kế toán
5. Authentication Key (AK) Khoá xác thực
6. Base Station (BS) Trạm cơ sở
7. Best Effort Services (BE) Dịch vụ cố gắng tốt nhất
8. Common Part Sublayer
(CPS)
Lớp con phần chung
Định danh kết nối
Mạng dịch vụ kết nối
Lớp con hội tụ
9. Connection Identifier
(CID)
10. Connectivity Service
Network (CSN)
11. Convergence Sublayer
(CS)
12. Key Encryption Key
(KEK)
Khoá mã hoá khoá
13. Medium Access Control Lớp điều khiển truy cập phương tiện
(MAC)
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-vi-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
STT Thuật ngữ
Giải nghĩa
14. Network Access Provider Nhà cung cấp truy cập mạng
(NAP)
15. Network Access Server
(NAS)
Server truy cập mạng
16. Network Service
Provider (NSP)
Nhà cung cấp dịch vụ mạng
17. Non-Real-Time Polling
Services (nrtPS)
Dịch vụ thăm dò không phải thời gian thực
Dịch vụ thăm dò thời gian thực
18. Real-Time Polling
Services (rtPS)
19. Physical (PHY)
20. Policy Function (PF)
21. Protocol Data Unit
(PDU)
Lớp vật lý
Chức năng chính sách
Đơn vị dữ liệu giao thức
22. Reference Point (RP)
23. Security Sublayer
24. Service Access Point
(SAP)
Điểm tham chiếu
Lớp con bảo mật
Điểm truy cập dịch vụ
25. Service Data Unit (SDU) Đơn vị dữ liệu dịch vụ
26. Service Flow ID (SFID) Định danh luồng dịch vụ
27. Subscriber Station
28. Traffic Encryption Key
(TEK)
Trạm thuê bao
Khoá mã hoá lưu lượng
29. Unsolicited Grant
Services (UGS)
Dịch vụ cấp không phải yêu cầu
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-vii-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
LỜI CẢM ƠN
Con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ và gia đình đã nuôi
dưỡng, giáo dục và tạo điều kiện tốt nhất để cho con thực hiện đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn khoa Công nghệ Thông tin, quý Thầy, Cô
trong Khoa, Trung tâm Đào tạo và Bồi dưỡng sau đại học, trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho chúng em học tập và thực hiện luận
văn tốt nghiệp này.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Thúc Hải, người
đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành đề tài này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh chị, bạn bè, đồng nghiệp
đã động viên, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Phạm Tuấn Minh
Tháng 11/2006
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-1-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
LỜI MỞ ĐẦU
Xu thế phát triển viễn thông hiện nay trên thế giới mang tính chất hội tụ,
đáp ứng các nhu cầu thiết yếu và đòi hỏi của xã hội về tốc độ truyền tin, độ
chính xác và sự đa dạng hoá các dịch vụ. Để đáp ứng các yêu cầu đó, nhiều
công nghệ mới đã được nghiên cứu và ra đời như 3G, Wi-Fi, WiMAX,...
Công nghệ đang được chú trọng quan tâm là WiMAX.
Công nghệ WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
là công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng cho một vùng rộng dựa trên chuẩn
IEEE 802.16 sử dụng băng tần thấp hơn 66 GHz bao gồm các phiên bản đòi
hỏi và không đòi hỏi tầm nhìn thẳng. Mạng truy cập không dây băng thông
rộng dựa trên công nghệ WiMAX (gọi tắt là mạng WiMAX) cung cấp các
dịch vụ đa phương tiện trên nền IP như điện thoại có hình ảnh, điện thoại di
động, truyền dữ liệu tốc độ cao, truyền hình theo yêu cầu,... WiMAX có ưu
thế vượt trội so với các công nghệ cung cấp dịch vụ băng thông rộng hiện nay
về tốc độ truyền dữ liệu và giá cả thấp do cung cấp các dịch vụ trên nền IP.
Trên thế giới, mạng WiMAX đang được tiến hành thử nghiệm tại nhiều
nước, tập trung cho vùng thưa dân cư, dịch vụ cung cấp chủ yếu là truy cập
Internet băng rộng cố định. Theo đánh giá của Maravedis Inc, thị trường viễn
thông băng rộng có tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm 30%. Việc xuất
hiện một công nghệ mới như WiMAX cho phép triển khai nhanh dịch vụ với
giá cả thấp sẽ làm bùng nổ thị trường trong những năm tới.
Tại Việt Nam, hiện tại có 4 doanh nghiệp được cấp phép thử nghiệm
mạng WiMAX. Việc cấp phép thiết lập mạng WiMAX cung cấp dịch vụ viễn
thông sẽ được xem xét sau khi đánh giá các báo cáo kết quả thử nghiệm.
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-2-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
WiMAX là một công nghệ hoàn toàn mới mẻ và chưa được triển khai
rộng rãi. Các chuẩn vẫn đang được xây dựng, hoàn thiện và vẫn còn nhiều
vấn đề được các nhà nghiên cứu, triển khai quan tâm. Hai vấn đề được chú
trọng là chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật của mạng WiMAX.
Nhiệm vụ của luận văn là nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an
toàn bảo mật trong mạng WiMAX. WiMAX định nghĩa hai chế độ hoạt động
là PMP và Mesh. Các nghiên cứu trong phạm vi đề tài tập trung nghiên cứu
chế độ PMP, chế độ được ứng dụng phổ biến. Nội dung chủ yếu của đề tài
được tóm tắt trong 4 chương:
- Chương 1: Tổng quan về mạng WiMAX
Trong chương này, đầu tiên chúng ta sẽ tìm hiểu về khái niệm, ứng dụng
của WiMAX, các phiên bản WiMAX, chứng nhận sản phẩm WiMAX và sự
phát triển của công nghệ WiMAX. Sau đó, chúng ta sẽ tìm hiểu về bộ chuẩn
802.16. Các nghiên cứu về chuẩn 802.16 nếu không chỉ rõ thì đó là chuẩn
802.16-2004. Cuối cùng, chúng ta sẽ tìm hiểu về xu hướng phát triển mạng
không dây băng thông rộng.
- Chương 2: Kiến trúc mạng WiMAX
Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu mô hình lý thuyết của kiến
trúc mạng WiMAX mà diễn đàn WiMAX đưa ra, các đặc điểm khi triển khai
và cấu trúc của bản tin điều khiển giữa các thực thể chức năng trong mô hình.
- Chương 3: Vấn đề chất lượng dịch vụ
Chúng ta sẽ tìm hiểu về mô hình các thực thể chức năng đảm bảo chất
lượng dịch vụ do diễn đàn WiMAX đưa ra. Sau đó, nghiên cứu về cơ chế đảm
bảo chất lượng dịch vụ mà IEEE 802.16-2004 hỗ trợ. Cuối cùng, chúng ta tập
trung phân tích hoàn thiện cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ của IEEE
802.16 với chế độ hoạt động PMP và sử dụng ghép kênh theo thời gian, đề
xuất cơ chế kiểm soát cho phép và đề xuất phương pháp để áp dụng thuật toán
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-3-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
DRR vào việc lập lịch gói tin đường lên.
- Chương 4: Vấn đề an toàn bảo mật
Chúng ta sẽ tìm hiểu về mô hình các thực thể chức năng đảm bảo an toàn
bảo mật do diễn đàn WiMAX đưa ra. Sau đó, nghiên cứu về cơ chế đảm bảo
an toàn bảo mật mà IEEE 802.16-2004 hỗ trợ. Cuối cùng, chúng ta tập trung
phân tích những ưu điểm mà IEEE 802.16-2004 đã khắc phục từ những hạn
chế an toàn bảo mật của IEEE 802.11, những điểm yếu còn tồn tại của IEEE
802.16-2004, những đề xuất khắc phục hạn chế, cũng như xem xét những cải
tiến mới nhất mà IEEE 802.16e-2005 đã bổ sung hoàn thiện.
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-4-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG WiMAX
1.1 Công nghệ WiMAX
1.2 Chuẩn 802.16
1.3 Xu hướng phát triển của mạng không dây băng thông rộng
1.4 Kết chương
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-5-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
1.1 Công nghệ WiMAX
1.1.1 Khái niệm và ứng dụng của WiMAX
Khái niệm về WiMAX được diễn đàn WiMAX đưa ra là: WiMAX là
một công nghệ dựa trên các chuẩn cho phép chuyển truy cập băng thông rộng
không dây thay thế cho băng thông rộng có dây như cáp và DSL. WiMAX
cho phép cung cấp kết nối băng thông rộng không dây cố định và di động.
Hệ thống WiMAX có khả năng cung cấp băng thông lớn (134,4 Mbp/s
trong kênh 28 MHz), khoảng cách truyền xa (50 km), không đòi hỏi tầm nhìn
thẳng, làm việc bình thường khi thiết bị người dùng di chuyển với tốc độ
120km/h, hiệu quả sử dụng phổ cao và chi phí thấp. ([12], trang 21)
Công nghệ WiMAX sử dụng các dạng của kỹ thuật điều chế OFDM.
OFDM được đánh giá là một công nghệ dẫn đầu cho việc cung cấp kết nối
không dây băng thông rộng. Do tốc độ của các dịch vụ không dây tăng vì thế
đòi hỏi nhiều phổ sóng vô tuyến. Điều này dẫn tới việc xin cấp dải phổ sẽ khó
khăn và sẽ phải trả chi phí cao. Vì vậy hiệu quả phổ, số lượng bít được mã
thành một chu kỳ sóng vô tuyến đơn, trở nên rất quan trọng. Các công nghệ
dựa trên OFDM, bao gồm WiMAX, có hiệu quả sử dụng phổ cao khoảng
4bps/Hz so với 802.11d dưới 2bps/Hz. ([8], trang 29)
OFDM thực hiện cắt đoạn phổ khả dụng bởi tần số và mang một phần dữ
liệu trên mỗi tần số đó. Mỗi tần số đó là duy nhất và không chồng nhau. Điều
này đảm bảo không có giao nhau giữa các âm. Kỹ thuật này đi cùng với các
cải tiến phức tạp khác trong xử lý tín hiệu số đã đưa ra một công nghệ mạng
nhanh và hiệu quả.
Công nghệ WiMAX là giải pháp cho nhiều kiểu ứng dụng băng thông
rộng tại cùng thời điểm bao gồm các dịch vụ dữ liệu, tiếng nói và truyền hình.
WiMAX hỗ trợ đảm bảo chất lượng dịch vụ, truyền khoảng cách xa, tốc độ
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-6-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
cao thích hợp với các ứng dụng truy cập băng thông rộng cố định trong các
vùng nông thôn, đặc biệt khi khoảng cách xa mà DSL và cáp không tới được
cũng như các vùng thành phố, ngoại ô ở các nước đang phát triển. Bên cạnh
các dịch vụ cho hộ gia đình như Internet tốc độ cao, điện thoại VoIP, truyền
hình là các dịch vụ cho các doanh nghiệp như hội nghị truyền hình, giám sát
truyền hình, mạng riêng ảo,...
1.1.2 Các phiên bản WiMAX
Tổ chức thực hiện đẩy nhanh sự triển khai WiMAX và xây dựng chứng
chỉ WiMAX nhằm đảm bảo sự tương thích, khả năng phối hợp hoạt động của
các sản phẩm sử dụng chuẩn IEEE 802.16 với sản phẩm khác là diễn đàn
WiMAX. Diễn đàn được thành lập vào tháng 6 năm 2001. Hiện tại diễn đàn
có hơn 350 thành viên là các nhà sản xuất thiết bị, nhà cung cấp dịch vụ, nhà
tích hợp hệ thống hàng đầu trên thế giới. Diễn đàn làm việc chặt chẽ với các
nhà cung cấp dịch vụ và nhà sản xuất để đảm bảo rằng các hệ thống chứng chỉ
của diễn đàn WiMAX thỏa mãn các yêu cầu của người sử dụng và tổ chức
chính phủ. ([19], WiMAX Forum Overview)
Diễn đàn WiMAX có 7 nhóm làm việc: RWG, MWG, AWG, NWG,
SPWG, CWG, TWG. Nhiệm vụ các nhóm là:
RWG (Regulatory Working Group): Đảm bảo khả năng cung cấp
và sự hài hoà về dải phổ hoạt động trên thế giới, khuyến khích sự
chấp nhận một băng tần duy nhất. Làm việc với các nhà cung cấp
băng tần để phát triển khung các băng tần. Điều này cho phép các
nhà cung cấp dịch vụ triển khai hầu hết các giải pháp trên các thị
trường.
MWG (Marketing Working Group): Cung cấp các thông tin về truy
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-7-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
cập băng thông rộng, tạo dựng hình ảnh cho các sản phẩm được
chứng nhận bởi diễn đàn WiMAX, quảng bá chương trình chứng
nhận của diễn đàn WiMAX, tạo dựng hình ảnh diễn đàn WiMAX là
tổ chức hàng đầu về công nghệ không dây băng thông rộng..
AWG (Application Working Group): Mô tả và chứng minh các giải
pháp khả thi nhất đối với người sử dụng và đảm bảo các ứng dụng
đó tương thích với công nghệ đã có cũng như khai thác khả năng
của WiMAX.
NWG (Networking Working Group): Xây dựng đặc tả mạng cho hệ
thống WiMAX dựa trên chuẩn 802.16, xây dựng mô hình kiến trúc
tham chiếu dựa theo các đặc tả yêu cầu từ SPWG.
SPWG (Service Provider Working Group): Thiết lập một khung
cho các nhà cung cấp dịch vụ cung cấp các phản hồi tới tất cả các
nhóm làm việc khác trong diễn đàn WiMAX. Nhóm này có vai trò:
Định nghĩa các yêu cầu cho kiến trúc mạng dựa trên chuẩn IEEE
802.16, phát triển các mô hình kinh doanh cho các sản phẩm được
chứng nhận bởi diễn đàn WiMAX, định nghĩa các đặc tả chức năng
cho các chuẩn IEEE 802.16 trong tương lai.
CWG (Certification Working Group): Đánh giá kiểm tra, lựa chọn
các test lab, quản lý sự liên hệ giữa các test lab, quản lý chương
trình chứng nhận của diễn đàn WiMAX. Nhóm này có liên hệ chặt
chẽ với TWG.
TWG (Technical Working Group): Thống nhất sự tương thích và
phối hợp hoạt động của các sản phẩm được chứng nhận bởi diễn
đàn WiMAX. Phát triển các đặc tả đảm bảo sự tương thích và khả
năng phối hợp hoạt động dựa trên các chuẩn quốc tế. Xây dựng các
hệ thống chứng nhận và kiểm tra.
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-8-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
Hình 1.1 minh hoạ phạm vi hoạt động của các nhóm làm việc trong diễn
đàn WiMAX.
RWG, MWG
AWG
Application
Presentation
Session
Transport
NWG,
SPWG
Network
Datalink
MAC
CWG/TWG
SPWG
PHY
Physical
Mô hình OSI
IEEE 802.16
Diễn đàn WiMAX
Hình 1.1 Phạm vi của hoạt động của IEEE 802.16 và diễn đàn WiMAX
Diễn đàn WiMAX cam kết sẽ cung cấp giải pháp tối ưu cho truy cập
không dây băng thông rộng cố định, có khả năng di chuyển và di động. Hai
phiên bản của WiMAX giải quyết các yêu cầu truy cập khác nhau ([10], trang
2):
WiMAX cố định. Phiên bản này dựa trên chuẩn 802.16-2004 của
chuẩn IEEE 802.16 và dựa trên ETSI HiperMAN. Nó sử dụng
OFDM và hỗ trợ truy cập cố định và di chuyển trong môi trường
LOS và NLOS. LOS là chế độ truyền đòi hỏi tầm nhìn thẳng nghĩa
là điểm thu và điểm phát nhìn thấy nhau theo đường thẳng. NLOS
là chế độ truyền không đòi hỏi tầm nhìn thẳng. Bảng mô tả ban đầu
diễn đàn xây dựng là cho băng tần 3,5 GHz và 5,8 GHz.
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-9-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
WiMAX di động. Phiên bản này dựa trên bản bố sung 802.16e, hỗ
trợ thêm tính di động. Nó sử dụng OFDMA, một kỹ thuật điều chế
đa mang sử dụng sự tạo kênh con. Các nhà cung cấp dịch vụ triển
khai WiMAX di động cũng có thể sử dụng phiên bản này để cung
cấp các dịch vụ cố định.
Hai phiên bản này cùng tồn tại và đáp ứng yêu cầu phát triển truy cập
băng thông rộng không dây trong thị trường cố định và di động. Khi chọn một
giải pháp, nhà cung cấp cần đánh giá các yếu tố như thị trường cung cấp, phổ
khả dụng và thời gian triển khai. Các sản phẩm WiMAX cố định ít phức tạp
hơn các phẩm WiMAX di động. Sản phẩm WiMAX cố định có thể sử dụng
với dải băng tần không đăng ký rộng, thời gian triển khai nhanh và thường có
thông lượng cao hơn các thiết bị dựa trên WiMAX di động. Ngược lại, các
sản phẩm WiMAX di động hỗ trợ di động, cải tiến độ bao phủ và quản lý linh
hoạt tài nguyên phổ.
1.1.3 Chứng nhận sản phẩm WiMAX
Diễn đàn WiMAX xây dựng các bản mô tả hệ thống (system profile) cho
mỗi phiên bản WiMAX. Trong khi 802.16 hỗ trợ một dải tần số rộng (tới 66
GHz), độ rộng của kênh từ 1,25 MHz tới 20 MHz, các bản mô tả hệ thống thu
hẹp phạm vi của 802.16 tập trung vào các cấu hình cụ thể. Sự lựa chọn một số
giới hạn các bản mô tả nhằm đảm bảo khả năng phối hợp giữa các sản phẩm
của các nhà sản xuất khác nhau, tiết kiệm số lượng cấu hình làm giảm chi phí,
công nghệ dễ đi vào thực tiễn hơn. Sự lựa chọn này được xác định dựa vào
yêu cầu thị trường, phổ khả dụng, các dịch vụ được yêu cầu và phụ thuộc vào
lựa chọn của nhà cung cấp. Ví dụ, sự khả dụng của phổ cho các dịch vụ truy
cập không dây băng thông rộng trong nhiều nước thúc đẩy việc xây dựng bản
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-10-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
mô tả đầu tiên trong băng tần 3,5 GHz.
Bản mô tả chứng nhận (certification profile) là một tập con của các bản
mô tả hệ thống. Diễn đàn WiMAX xây dựng các giấy chứng nhận dựa trên
từng bản mô tả chứng nhận cho các sản phẩm được kiểm tra. Các bản mô tả
chứng nhận này được đưa ra bởi nhóm làm việc chứng nhận (Certification
Working Group) và được phê chuẩn bởi diễn đàn WiMAX. Chi tiết về các
bản mô tả chứng nhận cho WiMAX cố định mô tả trong bảng 1.1 và cho
WiMAX di động mô tả trong bảng 1.2.
Bảng 1.1 Các bản mô tả chứng nhận cho WiMAX cố định
Băng tần (MHz)
3400-3600
Độ rộng kênh (MHz)
Phương pháp ghép kênh
3,5
3,5
7
7
10
TDD
FDD
TDD
FDD
TDD
3400-3600
3400-3600
3400-3600
5725-5859
(Nguồn: [10], trang 6)
Bảng 1.2 Các bản mô tả chứng nhận cho WiMAX di động
Băng tần
(GHz)
Độ rộng kênh (MHz)
Phương pháp ghép kênh
2,3-2,4
2,3-2,4
8,75
5
TDD
TDD
10
2,305-2,320
2,345-2,360
2,305-2,320
2,345-2,360
2,305-2,320
2,345-2,360
2,496-2,69
3,5
TDD
TDD
TDD
TDD
5
10
5
10
5
3,3-3,4
3,3-3,4
TDD
TDD
7
(Nguồn: [17], trang 6)
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-11-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
Quá trình chứng nhận bao gồm việc kiểm tra khả năng hoạt động phối
hợp với các sản phẩm từ các nhà sản xuất khác và kiểm tra tính tương thích
với các bản mô tả chứng nhận WiMAX. Sản phẩm đầu tiên của WiMAX di
động đạt chứng nhận của diễn đàn WiMAX dự kiến sẽ có vào khoảng đầu
năm 2007.
1.1.4 Sự phát triển của công nghệ WiMAX
Một dải các công nghệ được đặt tên WiMAX bao gồm các công nghệ
tương tự như chuẩn IEEE 802.16. Trong khi chuẩn 802.16 và các mở rộng
của nó vẫn tiếp tục được hoàn thành, một số nhà sản xuất đã đưa ra các công
nghệ được thiết kế cho thị trường băng thông rộng.
Samsung và LG Electronics của Hàn Quốc đã phát triển một công nghệ
kiểu WiMAX gọi là WiBro cho truy cập băng thông rộng không dây. Công
nghệ này được thiết kế cho băng tần 2,3GHz, cung cấp tốc độ từ 512Kbp/s tới
1024Kbp/s và cho phép người sử dụng di chuyển tốc độ phương tiện giao
thông (khoảng 60 km/h). Hệ thống này được hỗ trợ của chính phủ Hàn Quốc,
là công nghệ ứng dụng riêng cho Hàn Quốc. WiBro không được các nhà đầu
tư chấp nhận như một chuẩn công nghệ. Tại thời điểm này, Hàn Quốc hướng
tới việc phát triển WiBro dựa trên 802.16e. ([8], trang 29)
Viện tiêu chuẩn Truyền thông Châu Âu (ETSI) cũng phát triển chuẩn
cho truy cập không dây băng thông rộng có tên gọi là HiperMAN. Giống
WiBro và các công nghệ khác, hệ thống này cho phép truyền với khoảng cách
xa và băng thông rộng (280 Mbp/s trên một BS). ([8], trang 29)
Diễn đàn WiMAX làm việc với HiperMAN, WiBro, IEEE 802.16 để
đảm bảo khả năng phối hợp hoạt động giữa các hệ thống này. Chi tiết về kế
hoạch thời gian phát triển dự kiến của công nghệ WiMAX như trong hình 1.2.
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-12-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
Chứng
nhận
WiMAX
cố định
Triển khai dịch vụ
mạng WiMAX cố định
Chuẩn
802.16-
2004
Triển khai dịch vụ mạng
WiMAX di động
Chứng
nhận
WiMAX
di động
Chuẩn 802.16e
Bản mô tả Các bản mô tả
WiMAX
WiMAX di
di động 1
động khác
2004
2005
2006
2007
2008
Hình 1.2 Con đường phát triển của công nghệ WiMAX
(Nguồn: [11], trang 50)
Tóm lại, trong phần này chúng ta đã tìm hiểu chung về các vấn đề liên
quan tới công nghệ WiMAX như khái niệm công nghệ WiMAX, ứng dụng
của công nghệ WiMAX, hệ thống chứng nhận WiMAX,... Trong các phần
tiếp theo của chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về chuẩn 802.16 và về các
công nghệ mạng không dây băng thông rộng khác cùng xu hướng phát triển
công nghệ mạng không dây băng thông rộng.
1.2 Chuẩn 802.16
1.2.1 Bộ chuẩn 802.16
Chuẩn 802.16 bao gồm các đặc tả truy cập không dây băng thông rộng,
do IEEE phát triển, còn gọi là WirelessMAN. Chuẩn 802.16 đầu tiên được
chấp nhận vào tháng 12 năm 2001 và được công bố vào năm 2002 là IEEE
Std 802.16-2001. Sau đó, chuẩn có hai bổ sung là 802.16a và 802.16c. Chuẩn
802.16a bổ sung đặc tả cho lớp vật lý dải tần 2-11GHz, chuẩn 802.16c mô tả
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-13-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
chi tiết bảng mô tả hệ thống 10-66 GHz. Vào tháng 9 năm 2003, dự án
802.16d rà soát lại các chuẩn trên, điều chỉnh thống nhất với chuẩn ETSI
HIPERMAN và quy định các đặc tả cho việc kiểm tra. Dự án kết thúc vào
tháng 10 năm 2004, chuẩn 802.16 được công bố là IEEE Std 802.16-2004
thay thế cho IEEE Std 802.16-2001 và hai chuẩn bổ sung của nó 802.16a,
802.16c. Chuẩn 802.16-2004 quy định chuẩn truy cập không dây cố định.
Sau đó, vào tháng 2 năm 2006, chuẩn bổ sung 802.16e-2005 (còn được
gọi là WiMAX di động) được công bố và cuối tháng 8 năm 2006 thì IEEE
cho phép mọi người có thể lấy về. Chuẩn này bổ sung tính di động trong truy
cập không dây băng thông rộng. Kết quả của dự án sửa các lỗi trong chuẩn
802.16-2004 là 802.16-2004/Cor1-2005 công bố ghép cùng với chuẩn
802.16e-2005.
Ngoài ra, chuẩn 802.16 còn có chuẩn bổ sung 802.16f quy định cơ sở
thông tin quản trị được công bố vào tháng 12 năm 2005. Các chuẩn bổ sung
đang được xây dựng bao gồm 802.16g, 802.16h, 802.16i, 802.16j, 802.16k.
Chuẩn bổ sung 802.16g quy định các dịch vụ và thủ tục. Chuẩn bổ sung
802.16h quy định các cơ chế cùng tồn tại hoạt động của phổ không đăng ký,
chuẩn bổ sung 802.16i quy định cơ sở thông tin quản lý di động, chuẩn bổ
sung 802.16j quy định chuyển tiếp giữa nhiều trạm di động, chuẩn bổ sung
802.16k quy định về cầu nối. ([18], IEEE 802.16 Project Development
Milestones)
1.2.2 Chuẩn 802.16-2004
1.2.2.1 Mô hình chuẩn 802.16-2004
Chuẩn 802.16-2004 định nghĩa lớp điều khiển truy cập (MAC) và lớp vật
lý (PHY). Trong đó lớp MAC được tách thành 3 lớp con: Lớp con hội tụ
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-14-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
(Convergence Sublayer - CS), lớp con phần chung (Common Part Sublayer -
CPS) và lớp con bảo mật (Security Sublayer). Lớp MAC của WiMAX khác
với Wi-Fi về thuật toán phân phối băng thông và truy cập, quản lý các kiểu
lưu lượng bởi các tham số chất lượng dịch vụ. Lớp MAC của IEEE 802.16 là
hướng kết nối và bao gồm một chuỗi các máy trạng thái. Mỗi máy trạng thái
xác định thao tác của các quá trình riêng lẻ trong cấu trúc MAC. Có các máy
trạng thái cho quá trình khởi đầu vào mạng, uỷ quyền và quản lý khoá,... Máy
trạng thái là một khái niệm quan trọng khi xem xét sâu bên trong của các cơ
chế hoạt động của lớp MAC.
Mô hình tham chiếu định nghĩa phạm vi của chuẩn IEEE 802.16 như mô
tả trong hình 1.3. Trong phần sau, chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về các lớp trên.
Phạm vi của chuẩn
CS SAP
Thực thể quản lý
Lớp con hội tụ (CS)
Lớp con hội tụ
MAC SAP
Lớp con phần chung
MAC (MAC CPS)
Thực thể quản lý
Lớp con phần chung
MAC
Lớp con bảo mật
Lớp con bảo mật
PHY SAP
Thực thể quản lý
Lớp vật lý (PHY)
Lớp vật lý
Không gian quản lý
Hình 1.3 Mô hình tham chiếu của IEEE 802.16
(Nguồn: [6], trang 3)
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-15-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
1.2.2.2 Lớp con hội tụ
Chuẩn WiMAX định nghĩa hai lớp con hội tụ ([6], trang 17-21):
Lớp con hội tụ ATM cho các dịch vụ dựa trên ATM.
Lớp con hội tụ cho các dịch vụ dựa trên IPv4 hoặc IPv6, Ethernet
và VLAN.
Lớp con hội tụ cung cấp các chức năng sau:
Chuyển đổi hay ánh xạ của dữ liệu nhận qua điểm truy cập dịch vụ
CS (CS SAP) thành đơn vị dữ liệu MAC (MAC SDU) nhận bởi lớp
con phần chung qua điểm truy cập dịch vụ MAC (MAC SAP). Sự
ánh xạ phụ thuộc vào kiểu của dịch vụ.
Phân loại các SDU và liên kết chúng với định danh luồng dịch vụ
MAC, định danh kết nối thích hợp.
Đơn vị dữ liệu dịch vụ (SDU) là dữ liệu trao đổi giữa hai lớp giao thức
kề nhau. Theo hướng xuống, SDU là các đơn vị dữ liệu đã nhận từ lớp cao
hơn trước đó. Theo hướng lên, SDU là các đơn vị dữ liệu được gửi tới lớp cao
hơn tiếp theo. Phân biệt đơn vị dữ liệu dịch vụ với đơn vị dữ liệu giao thức
(PDU). PDU là đơn vị dữ liệu trao đổi giữa các thực thể của cùng một lớp
giao thức. Theo hướng xuống, PDU là đơn vị dữ liệu sinh cho lớp thấp hơn.
Theo hướng lên PDU là đơn vị dữ liệu nhận từ lớp thấp hơn.
Định dạng bên trong của dữ liệu lớp con hội tụ thống nhất với kiểu lớp
con hội tụ đó (ví dụ lớp con hội tụ ATM thì định dạng dữ liệu lớp con hội tụ
sẽ là định dạng tế bào ATM) và lớp con phần chung không phải hiểu định
dạng hoặc phân tích bất kỳ thông tin nào từ dữ liệu của lớp con hội tụ.
1.2.2.3 Lớp con phần chung
Lớp con phần chung cung cấp chức năng chính của MAC bao gồm truy
cập hệ thống, phân phối băng thông, thiết lập kết nối, duy trì kết nối. Lớp này
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-16-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
nhận dữ liệu từ các lớp con hội tụ qua điểm truy cập dịch vụ MAC, phân loại
tới các kết nối MAC cụ thể. Ở lớp này, chất lượng dịch vụ được áp dụng
trong việc lập lịch và truyền dữ liệu. Chi tiết về vấn đề đảm bảo chất lượng
dịch vụ của IEEE 802.16 chúng ta sẽ nghiên cứu trong phần 3.3.
Việc quản lý kết nối, đánh địa chỉ phụ thuộc vào 2 chế độ hoạt động mà
chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa. Chuẩn 802.16 định nghĩa 2 chế độ chia sẻ
phương tiện không dây là Point-to-Multipoint (PMP) và mesh. Với PMP,
trạm cơ sở (BS) phục vụ một tập các trạm thuê bao (SS) trong một sector của
ăng-ten truyền quảng bá, với tất cả SS nhận cùng thông tin từ BS. Việc truyền
từ các SS được điều khiển bởi BS. Trong chế độ mesh, lưu lượng có thể được
truyền giữa các SS với nhau, điều khiển truy cập được phân bố giữa các SS.
Chế độ hoạt động PMP thích hợp với kịch bản nhiều thuê bao dịch vụ được
phục vụ bởi một nhà cung cấp dịch vụ trung tâm. Mục đích để các thuê bao có
thể truy cập mạng bên ngoài (ví dụ Internet) hoặc các dịch vụ như truyền hình
số. PMP là mô hình hoạt động được ứng dụng phổ biến và các nghiên cứu của
chúng ta chỉ tập trung nghiên cứu trong chế độ hoạt động này.
MAC là hướng kết nối. Mọi dịch vụ được ánh xạ tới một kết nối và mọi
kết nối được tham chiếu tới một định danh kết nối (CID) 16 bít và có thể liên
tục yêu cầu giành băng thông theo nhu cầu. Các kết nối lớp MAC có thể hình
dung như kết nối TCP. Giống các kết nối TCP, trong đó một máy tính có
đồng thời nhiều kết nối trong các cổng khác nhau, trong kết nối MAC, SS có
thể có nhiều kết nối tới BS cho các dịch vụ khác nhau như quản trị mạng,
truyền dữ liệu người sử dụng. Sự khác nhau quan trọng là trong kết nối MAC,
mọi kết nối có các tham số khác nhau về băng thông, an toàn bảo mật và độ
ưu tiên. Mọi kết nối được xác định bởi CID của nó, CID được gán bởi BS.
Khi một SS tham gia và mạng, có 3 CID được gán cho nó và mỗi CID có yêu
cầu chất lượng dịch vụ khác nhau sử dụng bởi các mức độ quản lý khác nhau:
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-17-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
Basic, Primary Management và Secondary Management connection.
Basic connection sử dụng để truyền ngắn, truyền các bản tin cần truyền
độ trễ thấp. Primary Management connection được sử dụng để truyền dài hơn,
truyền các bản tin chấp nhận trễ như các yêu cầu đăng ký và các bản tin xác
thực. Secondary Management connection được sử dụng để truyền các bản tin
quản lý dựa trên các chuẩn như DHCP, TFTP, SNMP. MAC dành thêm các
kết nối cho các mục đích khác như truyền các lịch truyền đường lên và đường
xuống.
Đơn vị dữ liệu của lớp con phần chung là các MAC PDU. MAC PDU
bao gồm một MAC header có chiều dài cố định, phần dữ liệu tải có chiều dài
thay đổi và kiểm tra CRC. Có hai kiểu header là kiểu header chung (GMH) và
kiểu header yêu cầu băng thông (BRH). Các MAC PDU bắt đầu với kiểu
header chung sẽ chứa bản tin quản lý MAC hoặc dữ liệu của lớp con hội tụ.
MAC PDU có kiểu header là header yêu cầu băng thông sử dụng để yêu cầu
băng thông và không chứa trường dữ liệu tải. Chi tiết định dạng của từng kiểu
xem trong phần 6.3.2 tài liệu [6].
Transport CID
trong GMH
Payload
MSDU
GMH
CRC
CRC
Mangement CID
trong GMH
Payload
GMH
MAC Management Message
BRH: Bandwidth Request Header
GMH: Generic MAC Header
CID: Connection ID
BRH
CRC: Cyclic Redundancy Checking
MAC: Media Access Control
MSDU: MAC Service Data Unit
Hình 1.4 Cấu trúc của MAC PDU
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-18-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
MAC subheader có thể được chèn vào MAC PDU ngay sau kiểu header
chung. Có 5 kiểu MAC subheader là: Mesh, Fragmentation, Fast-Feedback
Allocation, Grant Management, Packing. Nếu cả Fragmentation subheader và
Grant Management subheader tồn tại Grant Management subheader sẽ đứng
trước. Nếu Mesh subheader tồn tại thì nó trước các subheader khác. Fast-
Feedback Allocation subheader luôn nằm ở vị trí cuối. Packing subheader có
thể đứng trước MAC SDU được chỉ ra bởi trường Type. Packing và
Fragmentation subheader không tồn tại trong cùng MAC PDU.
Vai trò các kiểu MAC subheader là:
Grant management subheader: sử dụng bởi SS để truyền yêu cầu
quản lý băng thông tới BS của nó.
Fragmentation subheader: chứa thông tin chỉ định sự có mặt và sự
định hướng trong dữ liệu tải của fragment của các SDU.
Packing subheader: chỉ định sự đóng gói nhiều SDU vào một PDU.
Mesh subheader: chứa định danh của nút, sử dụng trong chế độ
mesh.
Fast-Feedback subheader: sử dụng để cho phép SS truyền các thông
tin liên quan tới PHY đòi hỏi trả lời nhanh.
1.2.2.4 Lớp con bảo mật
Lớp con bảo mật đảm bảo sự riêng tư của các thuê bao khi truyền thông
tin qua mạng, chống truy cập không xác thực tới các dịch vụ truyền dữ liệu.
Kiến trúc bảo mật của lớp con bảo mật đảm bảo các yêu cầu trên. Chi tiết hơn
về các cơ chế bảo mật của IEEE 802.16 chúng ta sẽ nghiên cứu trong phần
4.3. Kiến trúc bao gồm hai thành phần giao thức ([6], trang 271):
Giao thức đóng gói để mã hóa gói dữ liệu qua mạng. Giao thức này
định nghĩa một tập bộ mật mã hỗ trợ (cặp mã hóa dữ liệu, thuật toán
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-19-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
xác thực và các quy tắc để áp dụng các thuật toán đó tới dữ liệu tải
của MAC PDU).
Giao thức quản lý khóa riêng (PKM) và uỷ quyền quản lý khoá
cung cấp bảo mật cho việc phân phối dữ liệu khóa từ BS tới SS.
Qua giao thức quản lý khóa này, SS và BS đồng bộ dữ liệu khóa,
ngoài ra BS sử dụng giao thức này để thực hiện điều kiện truy cập
tới các dịch vụ mạng.
Mã hoá gói dữ liệu
Các dịch vụ mã hóa được định nghĩa như một tập các khả năng trong lớp
con bảo mật của MAC. Thông tin MAC header chỉ ra sự mã hóa được chứa
trong định dạng của MAC header kiểu chung. Sự mã hóa luôn được áp dung
cho dữ liệu tải của MAC PDU, MAC header kiểu chung không được mã hóa.
Tất cả các bản tin quản lý MAC sẽ được gửi không mã hóa để thuận tiện cho
việc đăng ký và các thao tác khác của MAC.
Giao thức quản lý khoá và uỷ quyền quản lý khoá
SS sử dụng giao thức PKM để giành xác thực và khóa từ BS và để hỗ trợ
xác thực lại theo chu kỳ và tạo mới khóa. Giao thức quản lý khóa sử dụng
chứng chỉ số X.509, thuật toán mã hóa khóa công khai RSA để thực hiện trao
đổi khóa giữa SS và BS.
Giao thức PKM gắn với mô hình client/server trong đó SS yêu cầu khóa
và BS (PKM server) trả lời các yêu cầu đó. Giao thức này đảm bảo rằng các
SS riêng biệt chỉ nhận khóa chúng được xác thực. Giao thức PKM sử dụng
bản tin quản lý MAC là PKM-REQ và PKM-RSP.
Giao thức PKM sử dụng mật mã khóa công khai để giành khoá AK giữa
SS và BS. Sau đó, khóa AK được sử dụng để bảo đảm an toàn việc trao đổi
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-20-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
PKM sau đó của các khóa TEK. Khoá TEK (Traffic Encryption Key) dùng để
mã hoá dữ liệu trong các bản tin.
BS xác thực SS trong quá trình trao đổi xác thực ban đầu. Mỗi SS mang
một chứng chỉ số X.509 duy nhất phát hành bởi nhà sản suất. Chứng chỉ số
chứa một khóa công khai của SS và địa chỉ MAC. Khi yêu cầu một AK, SS
đưa chứng chỉ số của nó cho BS. BS kiểm tra chứng chỉ số này rồi sử dụng
khóa công khai đã được kiểm tra để mã hóa khoá AK gửi trả lời SS đã yêu
cầu.
BS liên kết một định danh xác thực của SS với một chi phí của người sử
dụng, với dịch vụ dữ liệu (voide, video, dữ liệu) mà người sử dụng được xác
thực để truy cập. Vì vậy, với sự trao đổi AK, BS thiết lập định danh được xác
thực của SS và các dịch vụ SS được xác thực để truy cập.
1.2.2.5 Lớp vật lý
WiMAX có 5 dạng, chúng được xác định bởi lớp vật lý của chúng. Các
dạng này được tách thành các băng tần bao gồm: 2-11 GHz và 10-66 GHz.
Bảng 1.3 mô tả tổng quan về các dạng này. ([6], mục 8)
Bảng 1.3 Các dạng PHY
Tên
Hoạt động
LOS/
NLOS
LOS
Tần số
Ghép
kênh
WirelessMAN-SC
WirelessMAN-SCa
Point-to-point
Point-to-point
10-66 GHz TDD,
FDD
NLOS 2-11 GHz
NLOS 2-11 GHz
NLOS 2-11 GHz
NLOS 2-11 GHz
TDD,
FDD
TDD,
FDD
TDD,
FDD
TDD
WirelessMAN-
OFDM
WirelessMAN-
OFDMA
Point-to-
multipoint
Point-to-
multipoint
Point-to-
multipoint
WirelessHUMAN
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-21-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
Lớp vật lý hoạt động tại 10-66 GHz và 2-11 GHz với tốc độ dữ liệu từ
32-130 Mbps phụ thuộc vào độ rộng băng tần và kỹ thuật điều chế. Kiến trúc
IEEE 802.16 bao gồm hai kiểu trạm: SS và BS. Trong chế độ PMP, BS điều
khiển mọi hoạt động truyền thông trong mạng, không có truyền thông trực
tiếp giữa các SS. Đường truyền thông giữa SS và BS có hai hướng: hướng lên
(từ SS tới BS) và hướng xuống (từ BS tới SS). WiMAX hỗ trợ cả ghép kênh
theo thời gian (TDD) và ghép kênh theo tần số (FDD).
Các kênh được chia theo thời gian thông qua các khung. Một khung lại
chia nhỏ theo thời gian thành các khe vật lý. Mỗi khung chia thành hai kênh
lôgíc, kênh đường xuống và kênh đường lên. Khung con đường xuống tương
ứng với kênh đường xuống và khung con đường lên tương ứng với kênh
đường lên. Độ dài của các khung con đó thay đổi động và do BS quy định.
Hình 1.5 Cấu trúc của khung con đường xuống
Khung con đường xuống minh hoạ như trên hình 1.5. Bắt đầu khung con
đường xuống là Preamble. Lớp vật lý sử dụng Preamble để đồng bộ. Phần
thông tin điều khiển chứa DL-MAP cho khung đường xuống hiện tại và UL-
MAP cho kênh đường lên ở một thời gian cụ thể trong tương lai. Bản tin DL-
MAP mô tả khoảng thời gian của khung, số khung, định danh của kênh đường
xuống,... Bản tin UL-MAP mô tả định danh kênh đường lên, thời gian bắt đầu
của khung con đường lên tính tương đối so với thời gian bắt đầu của khung,
băng thông giành cho SS,... Sau phần thông tin điều khiển là phần TDM. Phần
TDM mang dữ liệu, được tổ chức thành các burst với các burst profile khác
nau. Dữ liệu được truyền tới mỗi SS sử dụng burst profile đã thoả thuận.
Trong hệ thống FDD, phần TDM có thể theo sau bởi phần TDMA để hỗ trợ
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
-22-
Nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WiMAX
tốt hơn cho các SS bán song công.
Hình 1.6 Cấu trúc của khung con đường lên
Khung con đường lên minh hoạ trong hình 1.6. Khung con đường lên
chứa ba loại burst được truyền bởi SS. Đó là burst truyền trong khe cạnh tranh
dành cho quá trình điều chỉnh ban đầu, burst truyền trong các khe cạnh tranh
hoặc khe unicast dành cho việc yêu cầu băng thông, burst được truyền trong
các khe unicast dành cho SS để truyền dữ liệu đường lên. SS truyền theo sự
cấp phát dành cho chúng sử dụng burst profile đã chỉ ra trong UL-MAP. SS
Transition Gap tách việc truyền của các SS khác nhau trong suốt khung con
đường lên.
1.3 Xu hướng phát triển của mạng không dây
băng thông rộng
1.3.1 Các công nghệ mạng không dây băng thông rộng
Theo tiêu chí phạm vi của mạng, người ta phân loại các công nghệ mạng
không dây như sau:
Mạng PAN: IEEE 802.15, ETSI HiperPAN
Mạng LAN: IEEE 802.11, ETSI HiperLAN
Mạng MAN: IEEE 802.16, ETSI HiperMAN
Mạng WAN: IEEE 802.16e, IEEE 802.20, W-CDMA, CDMA2000
Phạm Tuấn Minh. Lớp Cao học Công nghệ Thông tin 2005-2007
Tải về để xem bản đầy đủ
119 trang
20/04/2025
110
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu vấn đề chất lượng mạng dịch vụ và an toàn bảo mật trong mạng WIMAX", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- luan_van_nghien_cuu_van_de_chat_luong_mang_dich_vu_va_an_toa.pdf
