Wi-Fi là gì

Wi-Fi là một bộ giao thức mạng không dây dựa trên bộ tiêu chuẩn 802.11 của IEEE, cho phép các thiết bị kết nối không dây với nhau bằng sóng điện từ.

Hiểu đơn giản, nó cho phép kết nối các thiết bị mà không cần dây nối như mạng có dây. Wi-Fi chỉ là một phần mở rộng của mạng có dây vốn đã phổ biến từ trước.

Mọi người hay dùng lẫn lộn các khái niệm "mạng không dây", Wi-Fi, wireless, wireless network… hay wifi, nhưng cũng không sao.

Bài viết này giải thích một số khái niệm cơ bản giúp bạn nắm bắt mạng không dây, có cái để trao đổi với mọi người, hoặc đơn giản là biết một số vấn đề và giới hạn của mạng không dây.

Truyền dữ liệu không dây là phát minh đã có từ rất lâu, khi con người bắt đầu phát hiện và tìm hiểu về sóng điện từ. Radio FM, AM dùng để truyền âm thanh ở tần số tính bằng Hz, KHz, MHz, tức tần số thấp; còn mạng không dây truyền dữ liệu bằng sóng điện từ ở tần số rất cao, tính bằng GHz.

Tại thời điểm viết bài này, đầu năm 2023, Wi-Fi dùng các dải băng tần 2.4GHz, 5GHz, 6GHz và 60GHz, trong đó 60GHz ít phổ biến.

Tần số

Bạn chỉ cần để ý giá trị tần số ở những nơi có ghi chữ Hz, GHz, đồng thời nhớ các điều sau:

• Giá trị tần số tỉ lệ nghịch với tính xuyên thấu và khoảng cách. Sóng FM và AM có thể phát cho cả thành phố và xuyên qua đường hầm, nhưng sóng Wi-Fi có thể gặp khó khăn với vài bức tường và chỉ phát trong phạm vi nhỏ.
• Giá trị tần số tỉ lệ thuận với lượng dữ liệu có thể mang theo. Đó là lý do Wi-Fi ở tần số càng cao thì truyền được càng nhiều dữ liệu.

Power và ăng-ten

Bạn sẽ thấy con số này ở giá trị W hay dBm, là độ mạnh gốc của tín hiệu được truyền vào dây dẫn tín hiệu đến ăng-ten.

Ăng-ten sẽ khuếch đại tín hiệu, điều chỉnh hình dạng và hướng sóng để truyền đi, đồng thời chịu trách nhiệm lắng nghe tín hiệu nhận được. Ăng-ten có nhiều thông số, nhưng chỉ cần nắm độ lợi (dBi) và hướng sóng là đủ.

• Power càng lớn thì truyền càng xa và rộng.
• Thiết bị Wi-Fi bị giới hạn power ở mức thấp phù hợp.
• Ăng-ten chỉ có cái phù hợp chứ không có cái tốt nhất.

Phần cứng và các tên gọi

Các thành phần, phần cứng ở đây được mô tả kèm cả từ tiếng Anh để giúp bạn nắm bắt các bài viết tiếng Anh.

Mạng không dây luôn phải có thu và phát; trong lúc hoạt động, thiết bị sẽ luân phiên vừa thu vừa phát tương ứng với lúc gửi và nhận dữ liệu. Tuy nhiên trên thực tế, bộ phát hay được coi là access point, còn bộ thu được coi là client hay station.

• Bộ phát (broadcaster)
• Bộ thu (receiver)

Dữ liệu truyền trong không khí không có giới hạn thu nhận nào, nên chỉ cần có thiết bị phù hợp là có thể thu được tín hiệu và dữ liệu.

• Không mã hóa (open network): dữ liệu không mã hóa, khi thu được thì có thể đọc hiểu.
• Mã hóa (secure network): dữ liệu được mã hóa bằng các thuật toán như TKIP, AES… và phải có khóa mới hiểu được.

Các kết nối trong Wi-Fi có nhiều mô hình:

• Infrastructure mode: một thành phần chính (thường gọi là Wireless Access Point/WAP/AP, hay gặp hơn là wifi router…) và nhiều trạm con kết nối vào (station, client, device, hay máy tính, laptop…).
• Hiếm gặp hơn là ad-hoc mode: gồm hai trạm nối trực tiếp với nhau để trao đổi dữ liệu.
• Lưu ý là các thành phần này đều có ăng-ten; nếu bạn không thấy thì không có nghĩa là không có, mà thường được giấu bên trong.

Các tiêu chuẩn

Các thiết bị phát sóng đều phải tuân theo quy chuẩn của nhà nước vì nhiều lý do, nên nhà sản xuất cũng thiết kế và sản xuất thiết bị Wi-Fi đáp ứng quy định.

Ngoài ra, để các thiết bị hoạt động chung với nhau, IEEE đã thiết lập rất nhiều mô tả giao thức để nhà sản xuất định hướng sản phẩm tương thích với nhau.

Từ năm 1999, các tiêu chuẩn chính được xây dựng theo thứ tự là 802.11b, 802.11a, 802.11g, 802.11n, 802.11ac và 802.11ax, sắp tới có 802.11axe. Các tiêu chuẩn này có điểm chung:

• Tương thích ngược cao, cho phép thiết bị cũ vẫn dùng được với thiết bị mới ra sau này (trừ phi khác tần số). Tuy nhiên không nên dùng lệch nhau quá xa vì tính hiệu quả, sẽ giải thích ở phần lưu ý.
• Các chuẩn mới sẽ có tốc độ cao hơn và dĩ nhiên đắt hơn.

Tôi từng làm việc rất nhiều với 802.11n và 802.11ac nhưng vẫn không hiểu tại sao IEEE và Wi-Fi lại dùng những cái tên khó nhớ như vậy. May là từ năm 2018, họ đã quyết định dùng cách đặt tên dễ nhớ hơn theo số, như Wi-Fi 6 là thế hệ thứ sáu tương ứng với 802.11ax, chuẩn phổ biến hiện tại (dù Wi-Fi 6E đã ra thị trường khá nhiều và cuối 2023 có thể sẽ có Wi-Fi 7).

Cách đặt tên này giúp bạn khỏi phải suy nghĩ xem 11n với 11ac cái nào ngon hơn, mà chỉ cần chọn cái số to hơn, hoặc có chữ E (extension) với ý nghĩa mở rộng.

Trên một số client (thường là điện thoại), khi kết nối Wi-Fi sẽ thấy con số xuất hiện giúp bạn biết mình đang hoạt động theo chuẩn nào.

Hiện nay các chuẩn đầu tiên 802.11b, 802.11a và 802.11g gần như biến mất ở nơi công cộng. Nếu máy của bạn hơi cũ thì hãy cân nhắc mua adapter mới để truy cập mạng không dây nhanh hơn, như adapter 11n bây giờ chỉ dưới 200 nghìn.

Một số điều cần lưu ý:

• Để đảm bảo tương thích ngược, chuẩn chậm nhất của thiết bị chậm nhất sẽ được dùng. Ví dụ router Wi-Fi 6 kết nối với client Wi-Fi 5 thì chỉ dùng được chuẩn Wi-Fi 5.
• Trên thực tế, dù ít nhiễu từ các mạng Wi-Fi khác, tốc độ chỉ đạt khoảng hai phần ba lý thuyết là mừng, vì có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng.
• Băng thông thực tế được chia sẻ bởi tất cả client trong cùng mạng.
• Mạng không dây chỉ có lợi thế về sự tiện lợi và bề ngoài, còn mạng có dây thắng ở tất cả các mặt còn lại.

Băng tần Wi-Fi và độ xa

Nhắc lại một chút: tần số càng cao thì băng thông, tốc độ càng cao, tầm xa thu hẹp hơn và mức độ mất băng thông theo khoảng cách càng nhiều.

• Băng tần 2.4GHz: đạt khoảng cách chừng 61m, tuy nhiên do nhiều thiết bị khác cũng dùng băng tần này và gây nhiễu nên về sau nó được dùng như một băng tần dự phòng khi cần khoảng cách hơn là tốc độ.
• Băng tần 5GHz: tốc độ cao hơn 2.4GHz, nhưng khoảng cách thu hẹp còn khoảng 50m.
• Băng tần 6GHz: khoảng cách còn khoảng 40m, nhưng vì mới nên ít nhiễu và đạt băng thông cao nhất.

Độ xa trên thực tế rất biến thiên vì phụ thuộc nhiều yếu tố. Với các giải pháp cho gia đình hay văn phòng, cần thiết kế ở khoảng cách nhỏ hơn lý thuyết và tính đến nhiễu để đảm bảo chất lượng.

Nhiễu sóng và trở ngại

Nôm na, hãy hiểu Wi-Fi như âm thanh: có người khác nói thì tạo tiếng ồn và làm người khác không nghe được hội thoại; nếu có vật cản thì việc lắng nghe càng khó hơn.

Đối với băng tần 2.4GHz:

• Những thiết bị phát sóng khác xung quanh
• Điện thoại không dây cùng băng tần
• Đèn huỳnh quang
• Thiết bị Bluetooth (ít)
• Lò vi sóng

Đối với băng tần 5GHz:

• Những thiết bị phát sóng khác xung quanh
• Điện thoại không dây cùng băng tần
• Radar
• Vệ tinh

Các loại tường, từ chất liệu xốp như vách ván gỗ mỏng cho tới đặc như bê tông dày, có thể cản từ 10 tới 90% tín hiệu.

Kênh và độ rộng kênh

Mỗi kết nối không dây phải được thiết lập trên một kênh, và độ rộng kênh cho biết mức băng thông có thể thiết lập trên đó.

Độ rộng kênh có các mức 20, 40, 80, 160MHz; càng rộng thì truyền được càng nhiều dữ liệu (tăng băng thông và tốc độ) nhưng lại càng dễ bị nhiễu.

Kênh chồng lấp và kênh không chồng:

• Để đạt được độ rộng kênh như mong muốn thì số kênh không chồng lên nhau sẽ ít đi, do các kênh lân cận bị nhiễu ở độ rộng kênh đó. Ví dụ, nếu dùng độ rộng 40MHz thì chỉ có 3 kênh 1, 6, 12 là không nhiễu lẫn nhau; ở băng tần 5GHz mà dùng độ rộng 160MHz thì chỉ còn 2 kênh.
• Có thể thiết lập kênh hoạt động chồng lấp lên nhau. Ví dụ ở độ rộng kênh 40MHz thì một thiết bị ở kênh 1 và một thiết bị ở kênh 2 vẫn hoạt động được, tuy nhiên băng thông sẽ giảm nhiều do nhiễu.

Đối với băng tần 5GHz còn một vấn đề là DFS (Dynamic Frequency Selection), tính năng bắt buộc thiết bị hoạt động trên băng tần 5GHz phải lắng nghe xem có radar hoạt động cùng kênh không; nếu có thì phải chuyển sang kênh khác, nhường ưu tiên cho radar. Nên nếu bạn ở gần sân bay, trạm thời tiết… thì thỉnh thoảng sẽ thấy thiết bị 5GHz của mình bị đứt kết nối một chút do chuyển kênh nhường cho radar gần đó.

Độ rộng kênh 160MHz có một giải pháp hack, như trên thiết bị Netgear RAX120 họ dùng hai kênh độ rộng 80MHz để giảm bớt tác động của DFS; tuy nhiên tốc độ sẽ không bằng giải pháp 160MHz thật.

Wi-Fi streams

Cứ hiểu đơn giản là càng nhiều stream thì tốc độ càng cao. Tùy phần cứng, một kết nối có thể là single stream, dual stream (2x2), three-stream (3x3) hay four-stream (4x4). Trong tương lai có thể sẽ nhiều hơn.

Mỗi stream ở đây được tính trên một băng tần. Một số hãng có thể gộp nhiều băng tần và cho ra số stream nhiều hơn như 8, 12…, nhưng quan trọng nhất vẫn là số stream nhỏ nhất trong kết nối sẽ được dùng. Ví dụ router hỗ trợ 4 stream nhưng adapter chỉ 2 stream thì chỉ thiết lập được kết nối ở 2 stream.

Băng tần, kênh, stream

Để dễ hình dung: băng tần như con đường, kênh là những làn xe và stream là các xe đi trên đó. Cùng một đường thì làn rộng hơn chạy được xe to hơn, xe to hơn thì chở được nhiều dữ liệu hơn; tuy nhiên tốc độ thực tế là tốc độ của chiếc xe chậm nhất.

Sự tiến hóa của Wi-Fi và các tính năng

Kể ngược lại từ mới tới cũ.

Wi-Fi 6E

Không phải một thế hệ mới mà chỉ là bản mở rộng của Wi-Fi 6, được thương mại hóa từ năm 2021. Wi-Fi 6E dùng toàn bộ băng tần 6GHz nên có 7 kênh (không chồng) 160MHz hay 14 kênh 80MHz.

• Tốc độ không thay đổi nhưng tầm xa giảm một chút.
• Bắt buộc dùng WPA3 với các thiết bị dùng băng tần 6GHz, nhưng vẫn hỗ trợ WPA2 và WPA ở hai băng tần còn lại.
• Với các mạng công cộng như nhà hàng, sân bay thì OWE (Opportunistic Wireless Encryption, gọi ngắn là Enhanced Open) được dùng để hạn chế tấn công mạng. Tuy nhiên nếu có một thiết bị thường không hỗ trợ OWE kết nối vào thì AP đó sẽ vận hành theo kiểu Open bình thường.

Wi-Fi 6 (802.11ax)

Tiêu chuẩn mới và phổ biến hiện nay, được thương mại hóa vào đầu 2019, hoạt động cả ở hai băng tần 2.4 và 5GHz. Ở băng tần 5GHz, nó hỗ trợ 160MHz với tốc độ một stream là 600Mbps.

• Ở đầu phát, một router 4x4 có thể tạo băng thông 4800Mbps, nhưng ở đầu thu chỉ có loại adapter 2x2.
• OFDMA là bản nâng cấp của MU-MIMO, chia nhỏ các kênh thành các tần số khác nhau để gửi và nhận liên tục nên có băng thông tốt hơn.
• Target Wake Time (TWT) hay wake time scheduling là tính năng tiết kiệm pin, năng lượng, cho phép adapter tắt một khoảng thời gian ngắn rồi mở lại khi cần.
• WPA3 là kiểu mã hóa mới được giới thiệu từ 2018, có thể cần nâng cấp firmware để được hỗ trợ.