Протоколов 802.11

4.3.1.Семейство протоколов IEEE 802.11 для построения WLAN разрабатывается Международным институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) начиная с 1989 г. В основе этой группы протоколов лежит технология расширения спектра Spread Spectrum (SS).

Стандарт определяет спецификации двух уровней модели OSI: физического и канального уровней.

Канальный уровень состоит из двух подуровней: управления логической связью Logical Link Control (LLC) и управления доступом к среде передачи данных Media Access Control (MAC). На подуровне LLC протоколы 802.11 аналогичны, поэтому в плане операционной системы и приложений беспроводные сети ничем не отличаются от классических проводных сетей, что позволяет легко объединять их. Основное различие типов сетей касается МАС-подуровня и физического уровня.

В протоколах 802.11 предусмотрены два варианта реализации метода коллективного доступа.

Согласно первому из них, абонент-передатчик, желающий начать передачу данных, производит тестирование канала передачи на предмет сетевой активности. Если обнаруживается, что канал свободен, то абонент после некоторой задержки начинает передавать данные. В случае успешного получения пакета данных абонент-приемник отсылает подтверждение приема - пакет АСК. Если пакет АСК не получен, то делается предположение, что произошла коллизия и пакет данных передается снова через случайный промежуток времени.

Другим вариантом реализации коллективного доступа является протокол RTS/CTS. Это известная последовательность сигналов: запрос передачи (RTS), подтверждение незанятости (CTS), передача данных, подтверждение передачи данных (ACK).

В соответствии c алгоритмом RTS/CTS каждый узел сети, перед тем как послать данные в эфир, сначала отправляет специальное короткое сообщение, которое называется RTS (Ready To Send) и означает готовность данного узла к отправке данных. Такое RTS-сообщение содержит информацию о продолжительности предстоящей передачи и об адресате и доступно всем узлам в сети (если только они не скрыты от отправителя). Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция, получив сигнал RTS, отвечает посылкой сигнала CTS (Clear To Send), свидетельствующего о готовности станции к приему информации. После этого передающая станция посылает пакет данных, а приемная станция должна передать кадр ACK, подтверждающий безошибочный прием. Последовательность отправки кадров между двумя узлами сети показана на рис.4.8.

Рис.4.8. Взаимодействие между двумя узлами сети в соответствии с алгоритмом RTS/CTS

Рассмотрим ситуацию, когда сеть состоит из четырех узлов: A, B, C и D (рис. 11). Предположим, что узел C находится в зоне досягаемости только узла A, узел A находится в зоне досягаемости узлов C и B, узел B находится в зоне досягаемости узлов A и D, а узел D находится в зоне досягаемости только узла B. То есть в такой сети имеются скрытые узлы: узел C скрыт от узлов B и D, узел A скрыт от узла D (рис.4.9).

Рис.4.9. Решение проблемы скрытых узлов в алгоритме RTS/CTS

В подобной сети алгоритм RTS/CTS позволяет справиться с проблемой возникновения коллизий, которая не решается посредством рассмотренного базового способа организации коллективного доступа в DCF. Действительно, пусть узел A пытается передать данные узлу B. Для этого он посылает сигнал RTS, который, помимо узла B, получает также узел C, но не получает узел D. Узел C, получив данный сигнал, блокируется, то есть приостанавливает попытки передавать сигнал до момента окончания передачи между узлами A и B. Узел B, в ответ на полученный сигнал RTS, посылает кадр CTS, который получают узлы A и D. Узел D, получив данный сигнал, также блокируется на время передачи между узлами A и B.

У алгоритма RTS/CTS имеются свои подводные камни, которые в определенных ситуациях могут приводить к снижению эффективности использования среды передачи данных. К примеру, в некоторых ситуациях возможно такое явление, как распространение эффекта ложных блокировок узлов, что в конечном счете может привести к блокировке в сети.

Физический уровень для беспроводных сетей разных стандартов семейства 802.11 различен и различается как методами расширения спектра, так и методами модуляции, но основа этой группы протоколов одна – это технология расширения спектра Spread Spectrum (SS).

Основная идея технологии SS расширения спектра заключается в том, чтобы от узкополосного спектра сигнала, возникающего при обычном потенциальном кодировании, перейти к широкополосному спектру. Именно это позволяет значительно повысить помехоустойчивость передаваемых данных.

4.3.2.В таблице 4.2 приведены основные характеристики стандартов семейства IEEE 802.11.

Таблица 4.2.

Характеристики стандартов семейства IEEE 802.11

	802.11 b	802.11a	802.11g
Стандарт принят	Сентябрь 1999	Сентябрь 1999	Июль 2003
Полоса пропускания	83,5 МГц	300 МГц	83,5 МГц
Полоса частот (ГГц)	2.40 – 2.4835	5.15 – 5.35, 5.725 – 5.825	2.40 – 2.4835
Количество непересекающихся каналов
Скорость передачи (Мбит/сек)	1, 2, 5.5, 11, 22	6,9,12,18,24,36,48,54	1, 2, 5.5, 11, 22, 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54

Спецификация 802.11b определяет только один метод передачи DSSS. Для увеличения скорости передачи используется более совершенная техника кодирования, предложенная в 1998 г. компаниями Lucent и Harris Semiconductor (ныне входящей в Intersil). Она называется Complementary Code Keying (CCK) - манипуляция с помощью дополнительного кода. Здесь вместо кода Баркера применяется последовательность кодов, называемых дополнительными (Complementary Sequences). Она состоит из 64-х 8-чиповых кодирующих слов и позволяет закодировать одним словом вплоть до 6 бит. Затем код CCK модулируется с помощью метода модуляции QPSK. Это добавляет к символу еще два бита, что и дает в результате пропускную способность 11 Мбит/с.

Спецификация 802.11a предусматривает скорость передачи данных до 54 Мбит/с, но для этого задействуется более емкий информационный канал – полоса частот 5,15-5,825 ГГц. Кроме разных радиодиапазонов, стандарты 802.11b и 802.11a определяют принципиально различные методы передачи. Схема передачи, применяемая в 802.11a, называется мультиплексированием с разделением по ортогональным частотам (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM). Главный принцип заключается в том, чтобы разделить основной поток битов на ряд параллельных подпотоков с низкой скоростью передачи и затем использовать их для модуляции соответствующего числа несущих.

Стандарт 802.11g также использует схему мультиплексирования OFDM (ортогонального частотного разделения с мультиплексированием), что позволило достичь пропускной способности 54 Мбит/с. Для обеспечения совместимости с сетями 802.11b он предусматривал поддержку механизма кодирования CCK/Barker.

Стандарт 802.11g принят в июле 2003 г. Длительность слота доступа стандарта 802.11g выбрана 20 мкс, что совпадает с длительностью преамбулы в стандарте 802.11b.

При одновременной работе оборудования 802.11b и 802.11g в одной зоне между пользователями не требуется каких-либо согласований, все происходит автоматически.

Преимущество по скорости спецификации 802.11g с длительностью преамбулы 9 мкс очень существенное. Однако. при наличии в зоне действия устройств, поддерживающих только спецификацию 802.11b, оборудование будет работать с менее выгодной длительностью слота доступа 20 мкс, теряя в скорости почти 7 Мбит/с.

Слотом доступа называют период времени, за который два устройства могут посылать запрос на занятие канала. Из-за невозможности полного устранения (или снижения до допустимого уровня) взаимных помех их уровень будет оказывать существенное влияние на скорость передачи информации при многосотовом построении из-за наличия всего трех неперекрывающихся каналов. Разнесение зон по частоте на регулярной основе с условием, чтобы зоны с одинаковой частотой не соприкасались, возможно, только начиная с четырех каналов.

Дополнительные сложности по использованию доступного частотного ресурса связаны с совместной работой оборудования стандарта 802.11g и 802.11b на одной территории.

Прежде всего, для передачи данных применяется согласованная структура кадра, содержащая преамбулу, заголовок кадра и поле данных. Для стандарта 802.11b длительность кадра может принимать два значения: длинная (192 мкс) и короткая (96мкс) преамбулы. Стандарт 802.11g в свою очередь поддерживает длительность преамбулы 20 мкс. Нежелательные эффекты из-за различий длительностей преамбул могут быть рассчитаны следующим образом. Например, время передачи 1500 байт данных на скорости 11 Мбит/с составляет 1091 мкс. Если эти данные передаются с преамбулой длительностью 192 мкс, то для передачи данных не используется 13,6% емкости канала, а если используется короткая преамбула длительностью 96 мкс, то теряется 6,8%.

Временная диаграмма передачи N байт данных в стандарте 802.11b приведена на рис.4.10.

Время отсрочки передачи

Рис.4.10. Временная диаграмма передачи данных в стандарте 802.11b

Здесь – задержка распространения сигнала (защитный интервал между передачей и приемом); – длительность слота доступа. Число слотов случайно и может быть от 0 до 31. Если в среднем используется 15 слотов доступа, что по времени составляет 300 мкс. Это дополнительное время «простоя» канала, из-за чего усредненная скорость передачи – 8,6 Мбит/с. Время отсрочки составляет 22% общего времени передачи 1391 мкс. Таким образом, на эффективность использования пропускной способности стандарта 802.11b влияют длительность преамбулы и среднее количество слотов доступа.

Для стандарта 802.11g, если используются слоты длительностью 9 мкс, количество слотов также случайно и равно . Снижение скорости из-за наличия времени ожидания составляет 22%, т.е. вместо 54 Мбит/с в канале можно ожидать скорость не более 42 Мбит/с.

4.3.3.Беспроводные локальные сети (WLAN) на базе 802.11 строятся с помощью двух основных типов устройств: беспроводных станций, которыми обычно являются ПК, и устройств доступа, или, как их называют в англоязычной литературе, "точек доступа" (Access Point – AP). Последние действуют как мосты между проводными и беспроводными сетями. Устройства доступа обычно состоят из радиотрансивера, проводного сетевого интерфейса и программного обеспечения, реализующего функции моста. Они выполняют роль базовых станций в беспроводной сети, собирая потоки данных от множества беспроводных рабочих станций в проводную сеть.

Стандарт 802.11 определяет два режима работы: режим инфраструктуры и специальный (ad hoc).

В первом случае, в режиме BSS (Basic Service Set) все станции связываются между собой только через точку доступа (рис.4.11), которая может выполнять также роль моста к внешней сети. В расширенном режиме ESS (Extended Service Set) существует инфраструктура нескольких сетей BSS, причём сами точки доступа взаимодействуют друг с другом, что позволяет передавать трафик от одной BSS к другой. Сами точки доступа соединяются между собой с помощью либо сегментов кабельной сети, либо радиомостов.

Этот режим работы позволяет мобильным клиентам подключаться в общую сеть, перемещаться между точками доступа без потери связи (при условии перекрытия зон действия) и обмениваться информацией друг с другом.

В специальном режиме (рис 4.12), который иначе называется равноправным (рeer-to-peer), или Independent Basic Service Set (IBSS), множество беспроводных станций прямо взаимодействуют друг с другом без использования точек доступа или других соединений с проводной сетью. Такой режим применяется для быстрого разворачивания сети или в условиях, когда установка проводной сети из-за каких-либо факторов нежелательна (рис. 5).

Рис. 4.11. Инфраструктурный режим WLAN

Рис. 4.12. Режим точка – точка WLAN

Дата добавления: 2015-07-24