Компьютерные сети

Рис. 12.13. Распределение интенсивности радиосигнала
Методы расширения спектра помогают снизить влияние помех на полезный сигнал, кроме того, в беспроводных сетях широко используются прямая коррекция ошибок (FEC) и протоколы с повторной передачей потерянных кадров. Тем не менее практика показала, что в тех случаях, когда ничего не мешает применению проводной локальной сети, организации предпочитают именно этот вид LAN, несмотря на то что при этом нельзя обойтись без кабельной системы.

Неравномерное распределение интенсивности сигнала приводит не только к битовым ошибкам передаваемой информации, но и к неопределенности зоны покрытия беспроводной локальной сети. В проводных локальных сетях такой проблемы нет, те и только те устройства, которые подключены к кабельной системе здания или кампуса, получают сигналы и участвуют в работе LAN. Беспроводная локальная сеть не имеет точной области покрытия. Часто используемое изображение такой области в форме шестиугольника или круга является не чем иным, как абстракцией. В действительности, сигнал может быть настолько ослаблен, что устройства, находящиеся в предполагаемых пределах зоны покрытия, вообще не могут принимать и передавать информацию.

Рисунок 12.13 хорошо иллюстрирует такую ситуацию. Подчеркнем, что с течением времени ситуация с распределением сигнала может измениться вместе с изменением состава LAN. По этой причине даже технологии, рассчитанные на фиксированные (не мобильные) узлы сети, должны учитывать то, что беспроводная локальная сеть является неполносвязной. Даже если считать, что сигнал распространяется идеально во все стороны, образованию полносвязной топологии может мешать то, что радиосигнал затухает пропорционально квадрату расстояния от источника. Поэтому при отсутствии базовой станции некоторые пары узлов не смогут взаимодействовать из-за того, что расположены за пределами зоны покрытия передатчиков партнера.

В примере на рис. 12.14, а показана такая фрагментированная локальная сеть. Не-полносвязность беспроводной сети порождает проблему доступа к разделяемой среде, известную под названием скрытого терминала. Проблема возникает в том случае, когда два узла находятся вне зон досягаемости друг друга (узлы А и С на рис. 12.14, а), но существует третий узел В, который принимает сигналы как от А, так и от С. Предположим, что в радиосети используется традиционный метод доступа, основанный на прослушивании несущей, например CSMA/CD. В данном случае коллизии будут возникать значительно чаще, чем в проводных сетях. Пусть, например, узел В занят обменом с узлом А. Узлу С сложно определить, что среда занята, он может посчитать ее свободной и начать передавать свой кадр. В результате сигналы в районе узла В исказятся, то есть произойдет коллизия, вероятность возникновения которой в проводной сети была бы неизмеримо ниже.

Распознавание коллизий затруднено в радиосети еще и потому, что сигнал собственного передатчика существенно подавляет сигнал удаленного передатчика, и распознать искажение сигнала чаще всего невозможно.
в методах доступа, применяемых в оес^шйиых сет^о^
еания несущей, но и от распознавания ко/шизий.
Вместо этого в них используют методы предотвращения коллизий, включая методы опроса.

Применение базовой станции может улучшить связность сети (рис. 12.14, б). Базовая станция обычно обладает большей мощностью, а ее антенна устанавливается так, чтобы более равномерно и беспрепятственно покрывать нужную территорию. В результате все узлы беспроводной локальной сети получают возможность обмениваться данными с базовой станцией, которая транзитом передает данные между узлами.
а б

Рис. 12.14. Связность беспроводной локальной сети: а — специализированная беспроводная сеть, б — беспроводная сеть с базовой станцией
Беспроводные локальные сети считаются перспективными для таких применений, в которых сложно или невозможно использовать проводные сети. Далее перечислены основные
области применения беспроводных локальных сетей.

□ Домашние локальные сети. Когда в доме появляется несколько компьютеров, организация домашней локальной сети становится насущной проблемой. Пользователи быстро поняли преимущества беспроводных домашних сетей, не требующих прокладки в квартире или доме кабеля на витой паре и позволяющих легко переносить ноутбук из комнаты в комнату Производители также быстро отреагировали на этот спрос, приступив к выпуску для таких сетей компактных многофункциональных центральных устройств, совмещающих функции модема, маршрутизатора и точки беспроводного доступа. Практически все современные ноутбуки имеют сегодня встроенные беспроводные сетевые адаптеры, ими также оснащены многие принтеры.

□ Резидентный доступ альтернативных операторов связи, у которых нет проводного доступа к клиентам, проживающим в многоквартирных домах.
□ Так называемый «кочевой» доступ в аэропортах, железнодорожных вокзалах и т. п.
□ Организация локальных сетей в зданиях, где нет возможности установить современную кабельную систему, например в исторических зданиях с оригинальным интерьером.
□ Организация временных локальных сетей, например, при проведении конференций.

□ Расширения локальных сетей. Иногда одно здание предприятия, например испытательная лаборатория или цех, может быть расположено отдельно от других. Небольшое число рабочих мест в тайом здании делает крайне невыгодным прокладку к нему отдельного кабеля, поэтому беспроводная связь оказывается более рациональным вариантом.

□ Мобильные локальные сети. Если пользователь хочет получать услуги сети, перемещаясь из помещения в помещение или из здания в здание, то здесь конкурентов у беспроводной локальной сети просто нет. Классическим примером такого пользователя
является врач, совершающий обход и пользующийся своим ноутбуком для связи с базой данных больницы.

Пока что мобильные локальные сети не претендуют на полное покрытие крупных территорий, :как это сделали мобильные сотовые телефонные сети, но перспективы такого развития имеются. В этой области технологиям беспроводных локальных сетей предстоит выдержать конкуренцию с мобильными сотовыми телефонными сетями 3G (от английского 3rd Generation — сети третьего поколения). Предыдущее поколение мобильных сотовых телефонных сетей не является для беспроводных локальных сетей серьезным конкурентом, так как эти сети разрабатывались в первую очередь для передачи голоса, а для передачи данных в них применяется вспомогательный протокол GPRS со скоростями в диапазоне несколько килобит в секунду, что сегодня не может удовлетворить пользователей Интернета. Однако в сетях 3G скорость передачи данных уже находится в диапазоне от 144 Кбит/с до 2 Мбит/с, что уже гораздо лучше для доступа в Интернет как для компьютеров, так и для мобильных телефонов, поддерживающих такие приложения для Интернета, как веб-доступ и электронная почта. В этом случае конкуренция может оказаться жесткой. Пока что беспроводные локальные сети выигрывают у сетей 3G соревнование в скорости (54 против 2 Мбит/с), но уступают в мобильности, так как их область покрытия обычно ограничена зданием или небольшой территорией аэропорта или вокзала.

Далее будет рассмотрен самый популярный стандарт беспроводных локальных сетей -IEEE 802.11. Сети и оборудование IEEE.802.11 также известны под названием Wi-Fi — по имени консорциума Wi-Fi
1
Alliance (
http://wi-fi.org
), который занимается вопросам совместимости и сертификации оборудования стандартов IEEE 802.11.
Топологии локальных сетей стандарта 802.11
Стандарт 802.11 поддерживает два типа топологий локальных сетей: с базовым и с расширенным наборами услуг.

Сеть с базовым набором услуг (Basic Service Set, BSS) образуется отдельными станциями, базовая станция отсутствует, узлы взаимодействуют друг с другом непосредственно (рис. 12.15). Для того чтобы войти в сеть BSS, станция должна выполнить процедуру присоединения.

Сети BSS не являются традиционными сотами в отношении зон покрытия, они могут находиться друг от друга на значительном расстоянии, а могут частично или полностью перекрываться — стандарт 802.11 оставляет здесь свободу для проектировщика сети.
Станции могут использовать разделяемую среду для того, чтобы передавать данные:
□ непосредственно друг другу в пределах одной сети BSS;
□ в пределах одной сети BSS транзитом через точку доступа;

□ между разными сетями BSS через две точки доступа и распределенную систему;
□ между сетью BSS^f-проводной локальной сетью через точку доступа, распределенную систему и портал
46
47
.
Рис. 12.15. Сети с базовым набором услуг

В сетях, обладающих инфраструктурой, некоторые станции сети являются базовыми, или, в терминологии 802.11, точками доступа (Access Point, АР). Станция, которая выполняет функции АР, является членом какой-нибудь сети BSS (рис. 12.16). Все базовые станции сети связаны между собой с помощью распределенной системы (Distribution System, DS), в качестве которой может использоваться та же среда (то есть радио- или инфракрасные волны), что и среда взаимодействия между станциями, или же отличная от нее, например проводная. Точки доступа вместе с распределенной системой поддерживают службу распределенной системы (Distribution System Service, DSS). Задачей DSS является передача пакетов между станциями, которые по каким-то причинам не могут или не хотят взаимодействовать между собой непосредственно. Наиболее очевидной причиной использования D$S является принадлежность станций разным сетям BSS. В этом случае они передают кадр своей точке доступа, которая через DS передает его точке доступа, обслуживающей сеть BSS со станцией назначения.

Рис. 12.16. Сеть с расширенным набором услуг
$Свть с расширенным набором услуг (Extended Service Set, ESS) состоит из нескольких сетей ;8$$
(
объединенных распределенной средой.

Сеть ESS обеспечивает станциям мобильность — они могут переходить из одной сети BSS в другую. Эти перемещения обеспечиваются функциями уровня MAC рабочих и базовых станций, поэтому они совершенно прозрачны для уровня LLC. Сеть ESS может также взаимодействовать с проводной локальной сетью. Для этого в распределенной системе должен присутствовать портал.
Стек протоколов IEEE 802.11

Естественно, что стек протоколов стандарта IEEE 802.11 соответствует общей структуре стандартов комитета 802, то есть состоит из физического уровня и уровня MAC, поверх которых работает уровень LLC. Как и у всех технологий семейства 802, технология 802.11 определяется нижними двумя уровнями, то есть физическим уровнем и уровнем MAC, а уровень LLC выполняет свои стандартные общие для всех технологий LAN функции.
Структура стека протоколов IEEE 802.11 показана на рис. 12.17.
LLCi
MAC(CSMA/CA)
PCF

DCF
Phy
802 11
802.11a
802 11b
802.11g
802 11n
Рис. 12.17. Стек протоколов IEEE 802.11
Уровень MAC выполняет в беспроводных сетях больше функций, чем в проводных. Функции уровня MAC в стандарте 802.11 включают:
□ доступ к разделяемой среде;
□ обеспечение мобильности станций при наличии нескольких базовых станций;
□ обеспечение безопасности, эквивалентной безопасности проводных локальных сетей.

В сетях 802.11 уровень MAC поддерживает два режима доступа к разделяемой среде: распределенный режим DCF (Distributed Coordination Function) и централизованный режим PCF (Point Coordination Function). Режим PCF применяется в тех случаях, когда необходимо приоритезировать чувствительный к задержкам трафик.

На физическом уровне существует несколько вариантов спецификаций, которые отличаются используемым частотным диапазоном, методом кодирования и, как следствие, -скоростью передачи данных. Все варианты физического уровня работают с одним и тем же алгоритмом уровня MAC, но некоторые временные параметры уровня MAC зависят от используемого физического уровня.
Распределенный режим доступа DCF

Рассмотрим сначала, как обеспечивается доступ в распределенном режиме DCF. В этом режиме реализуется метод CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance — метод прослушивания несущей частоты с множественным доступом и предотвращением коллизий). Вместо неэффективного в беспроводных сетях прямого распознавания коллизий по методу CSMA/CD здесь они выявляются косвенно. Для этого каждый переданный кадр должен подтверждаться кадром положительной квитанции, посылаемым станцией назначения. Если же по истечении оговоренного тайм-аута квитанция не поступает, станция-отправитель считает, что произошла коллизия.

Режим доступа DCF требует синхронизации станций. В спецификации 802.11 эта проблема решается достаточно элегантно — временные интервалы начинают отсчитываться от момента окончания передачи очередного кадра (рис. 12.18). Это не требует передачи каких-либо специальных синхронизирующих сигналов и не ограничивает размер пакета размером слота, так как слоты принимаются во внимание только при принятии решения о начале передачи кадра.
Среда Таймер отсрочки:
Кадр
<-►
| Кадр
Станция А
к
О
Слот

Проверка: Проверка: Проверка:занято свободно свободно
Начало Запуск
интервала IFS таймера
отсрочки
Рис. 12.18. Режим доступа DCF

Станция, которая хочет передать кадр, обязана предварительно прослушать среду. Как только она фиксирует окончание передачи кадра, она обязана отсчитать интервал времени, равный межкадровому интервалу (IFS). Если после истечения IFS среда все еще свободна, то начинается отсчет слотов фиксированной длительности. Кадр можно начать передавать только в начале какого-либо из слотов при условии, что среда свободна. Станция выбирает для передачи слот на основании усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки, аналогичного используемому в методе CSMA/CD. Номер слота выбирается как случайное целое число, равномерно распределенное в интервале [0, CW], где CW означает Contention Window (конкурентное окно).

О том, как выбирается размер слота и величина конкурентного окна, будет сказано немного позже, а сейчас рассмотрим этот довольно непростой метод доступа на примере, который иллюстрирует рис. 12.18. Пусть станция А выбрала для передачи на основании усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки слот 3. При этом она присваивает таймеру отсрочки (назначение которого будет ясно из дальнейшего описания) значение 3 и начинает проверятыбостояние среды в начале каждого слота. Если среда свободна, то из значения таймера отсрочки вычитается 1, и если результат равен нулю, то начинается передача кадра.

Таким образом обеспечивается условие незанятости всех слотов, ейшючая выбранный. Это условие является необходимым для начале передачи.

Если же в начале какого-нибудь слота среда оказывается занятой, то вычитания единицы не происходит, и таймер «замораживается». В этом случае станция начинает новый цикл доступа к среде, изменяя только алгоритм выбора слота для передачи. Как и в предыдущем цикле, станция следит за средой и при ее освобождении делает паузу в течение межкадрового интервала. Если среда осталась свободной, то станция использует значение «замороженного» таймера в качестве номера слота и выполняет описанную процедуру проверки свободных слотов с вычитанием единиц, начиная с замороженного значения таймера отсрочки.

Размер слота зависит от способа кодирования сигнала; так, для метода FHSS размер слота равен 28 мкс, а для метода DSSS — 1 мкс. Размер слота выбирается таким образом, чтобы он превосходил время распространения сигнала между любыми двумя станциями сети плюс время, затрачиваемое станцией на распознавание ситуации занятости среды. Если такое условие соблюдается, то каждая станция сети сумеет правильно распознать начало передачи кадра при прослушивании слотов, предшествующих выбранному ею для передачи слоту. Это, в свою очередь, означает следующее.

Колдизия может случиться только в Том ©лучщ И тот
же слот для передачи^

В этом случае кадры искажаются, и квитанции подтверждения приема от станций назначения не приходят. Не получив в течение определенного времени квитанцию, отправители фиксируют факт коллизии и пытаются передать свои кадры снова. При каждой повторной неудачной попытке передачи кадра интервал [О, CW], из которого выбирается номер слота, удваивается. Если, например, начальный размер окна выбран равным 8 (то есть CW = 7), то после первой коллизии размер окна должен быть равен 16 (CW = 15), после второй последовательной коллизии — 32 и т. д. Начальное значение CW в соответствии со стандартом 802.11 должно выбираться в зависимости от типа физического уровня, используемого в беспроводной локальной сети.

Как и в методе CSMA/CD, в данном методе количество неудачных попыток передачи одного кадра ограничено, но стандарт 802.11 не дает точного значения этого верхнего предела. Когда верхний предел в N попыток достигнут, то кадр отбрасывается, а счетчик последовательных коллизий устанавливается в нуль. Этот счетчик также устанавливается в нуль, если кадр после некоторого количества неудачных попыток все же передается успешно.
ПРИМЕЧАНИЕ-

Максимальная длина кадра данных 802.11 равна 2346 байт, длина кадра RTS — 20 байт, кадра CTS — 14 байт. Так как кадры RTS и CTS гораздо короче, чем кадр данных, то потери данных в результате коллизии кадров RTS или CTS гораздо меньше, чем при коллизии кадров данных. Процедура обмена кадрами RTS и CTS не обязательна. От нее можно отказаться при небольшой нагрузке сети, поскольку в такой ситуации коллизии случаются редко, а значит, не стоит тратить дополнительное время на выполнение процедуры обмейа кадрами RTS и CTS.

В режиме доступа DFC применяются меры для устранения эффекта скрытого терминала. Для этого станция, которая хочет захватить среду и в соответствии с описанным алгоритмом начинает передачу кадра в определенном слоте, вместо кадра данных сначала посылает станции назначения короткий служебный кадр RTS (Request То Send — запрос на передачу). На этот запрос станция назначения должна ответить служебным кадром CTS (Clear То Send — свободна для передачи), после чего станция-отправитель посылает кадр данных. Кадр CTS должен оповестить о захвате среды те станции, которые находятся вне зоны сигнала станции-отправителя, но в зоне досягаемости станции-получателя, то есть являются скрытыми терминалами для станции-отправителя.

Централизованный режим доступа PCF
В том случае, когда в сети BSS имеется станция, выполняющая функции точки доступа, может применяться также централизованный режим доступа PCF, обеспечивающий приоритетное обслуживание трафика. В этом случае говорят, что точка доступа играет роль арбитра среды.
Режим доступа PCF в сетях 802.11 сосуществует с режимом DCF. Оба режима координируются с помощью трех типов межкадровых интервалов (рис. 12.19).
Немедленный доступ при освобождении среды £ DIFS
D
|Fs

^ Конкурентное окно ^// Г Г f J/ / Окно от/ / / П /
DIFS
^ WPIFS^ W
SIFS
^ Среда занята
Отложенный доступ
отсрочки
Следующий кадр
Слот
Пока среда занята, выбор слота и уменьшение окна отсрочки
Рис. 12.19. Сосуществование режимов PCF и DCF
После освобождения среды каждая станция отсчитывает время простоя среды, сравнивая его с тремя значениями:
□ короткий межкадровый интервал (Short IFS, SIFS);
□ межкадровый интервал режима PCF (PIFS);
□ межкадровый интервал режима DCF (DIFS).

Захват среды с помощью распределенной процедуры DCF возможен только в том случае, когда среда свободна в течение времени, равного или большего, чем DIFS. То есть в качестве IFS в режиме DCF нужно использовать интервал DIFS — самый длительный период из трех возможных, что дает этому режиму самый низкий приоритет.

Межкадровый интервал SIFS имеет наименьшее значение, он служит для первоочередного захвата среды ответными кадрами CTS или квитанциями, которые продолжают или завершают уже начавшуюся передачу кадра.

Значение межкадрового интервала PIFS больше, чем SIFS, но меньше, чем DIFS. Промежутком времени между завершением PIFS и DIFS пользуется арбитр среды. В этом промежутке он может передать специальный кадр, который говорит всем станциям, что начинается контролируемый период. Получив этот кадр, станции, которые хотели бы воспользоваться алгоритмом DCF для захвата среды, уже не могут этого сделать, они должны дожидаться окончания контролируемого периода. Длительность этого периода объявляется в специальном кадре, но этот период может закончиться и раньше, если у станций нет чувствительного к задержкам трафика. В этом случае арбитр передает служебный кадр, после которого по истечении интервала DIFS начинает работать режим DCF.

Все материалы, размещенные в боте и канале, получены из открытых источников сети Интернет, либо присланы пользователями  бота. 
Все права на тексты книг принадлежат их авторам и владельцам. Тексты книг предоставлены исключительно для ознакомления. Администрация бота не несет ответственности за материалы, расположенные здесь