Технології бездротових мереж. Сімейство протоколів ieee 802.11

Порівняння стандартів бездротової  передачі даних:

Відповіді на контрольні питання

1. Характеристика основних режимів  роботи бездротових мереж. 

Як правило, до обладнання, яке потрібно для розгортання  бездротової мережі, відносять бездротову точку доступу і бездротові адаптери. Однак у простому випадку для розгортання бездротової мережі не потрібно навіть використання точки доступу. Справа в тому, що існують два режими функціонування бездротових мереж: режим Infrastructure і режим Ad Hoc.

У режимі Ad Hoc, який також називають Independent Basic Service Set (IBSS) або режимом Peer to Peer (точка-точка), вузли мережі безпосередньо  взаємодіють один з одним без  участі точки доступу. Цей режим  вимагає мінімального обладнання: кожен  клієнт мережі повинен бути оснащений  тільки бездротовим адаптером. При  такій конфігурації не потрібно створення  мережевої інфраструктури. Основними  недоліками режиму Ad Hoc є обмежений  діапазон дії одержуваної мережі і неможливість підключення до зовнішньої мережі (наприклад, до Інтернету). Приміром, якщо обидва бездротових клієнта (ПК з бездротовими адаптерами) знаходяться  в одній кімнаті в межах  прямої видимості, то режим Ad Hoc дозволяє об'єднати цих клієнтів в бездротову мережу. Це може виявитися зручним, коли потрібно оперативно завантажити дані з одного ПК на інший (наприклад, до вас зайшов друг зі своїм ноутбуком). Але от якщо ставиться завдання об'єднати в локальну бездротову мережу комп'ютери, розташовані в різних кімнатах і розділені бетонною стіною з арматурою, то режим Ad Hoc швидше за все не підійде, оскільки потужності передавачів та чутливості приймачів для забезпечення стійкого з'єднання бездротових адаптерів буде недостатньо. У цьому випадку для організації бездротової мережі буде потрібно стаціонарна точка доступу. Втім, перевага точки доступу полягає не тільки в тому, що вона дозволяє істотно розширити зону покриття (радіус дії) бездротової мережі. Точка доступу до бездротової мережі виконує функцію, аналогічну функції комутатора традиційної кабельної мережі, і дозволяє об'єднувати всіх клієнтів у єдину мережу. Завдання точки доступу – координувати обмін даними між усіма клієнтами бездротової мережі і забезпечити всім клієнтам рівноправний доступ до середовища передачі даних.

Режим функціонування бездротової  мережі на базі точки доступу називається  режимом Infrastructure Mode. Розглядають два  режими Infrastructure – основний режим BSS (Basic Service Set) і розширений режим ESS (Extended Service Set). У режимі BSS всі вузли мережі зв'язуються між собою тільки через одну точку доступу, яка може виконувати також роль мосту до зовнішньої мережі. У розширеному режимі ESS існує інфраструктура декількох мереж BSS, причому самі точки доступу взаємодіють один з одним, що дозволяє передавати трафік від однієї BSS до іншої. Між собою точки доступу з'єднуються за допомогою або сегментів кабельної мережі, або радіоміст.

2. Характеристика сімейства стандартів IEEE 802.11.

Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 – це стандарт організації бездротових комунікацій на обмеженій території в режимі локальної мережі, тобто коли декілька абонентів мають рівноправний доступ до загального каналу передачі. 802.11 – перший промисловий стандарт для бездротових локальних мереж (Wireless Local Area Networks), або WLAN. Стандарт був розроблений Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 802.11 може бути порівняний зі стандартом 802.3 для звичайних дротяних Ethernet мереж.

Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 визначає порядок організації бездротових  мереж на рівні управління доступом до середовища (MAC-рівень) і фізичному (PHY) рівні. У стандарті визначено  один варіант MAC (Medium Access Control) рівня  та три типи фізичних каналів.

Подібно до дротяного Ethernet, IEEE 802.11 визначає протокол використання єдиного середовища передачі, що отримав назву carrier sense multiple access collision avoidance (CSMA/CA). Імовірність колізій бездротових вузлів мінімізується шляхом попередньої посилки короткого повідомлення, званого ready to send (RTS), воно інформує інші вузли про тривалість майбутньої передачі і адресата. Це дозволяє іншим вузлам затримати передачу на час, рівний оголошеній тривалості повідомлення. Приймальна станція повинна відповісти на RTS посилкою clear to send (CTS). Це дозволяє що передає вузла дізнатися, чи вільне середовище і чи готовий приймальний вузол до прийому. Після отримання пакета даних приймальний вузол повинен передати підтвердження (ACK) факту безпомилкового прийому. Якщо ACK не отримано, спроба передачі пакету даних буде повторена.

У стандарті передбачено  забезпечення безпеки даних, що включає  аутентифікацію для перевірки того, що вузол, який входить до мережі, авторизований в ній, а також шифрування для захисту від підслуховування.

3. Функції MAC-рівня в протоколах IEEE 802.11.

На MAC-рівні визначаються правила колективного доступу до середовища передачі даних. Необхідність існування таких регламентуючих правил цілком очевидна. Якщо кожен вузол бездротової мережі, не дотримуючись ніяких правил, став би передавати дані в ефір, то в результаті інтерференції декількох таких сигналів вузли, яким призначалася відправлена інформація, не змогли б її одержати і навіть зрозуміти, що дана інформація адресована саме їм.

На MAC-рівні стандарту IEEE 802.11 визначаються два основних типи колективного доступу до середовища передачі даних: функція розподіленої координації DCF (Distributed Coordination Function) і функція централізованої координації PCF (Point Coordination Function).

4. Способи доступу до передавального  середовища DCF і PCF.

У мережах 802.11 рівень MAC забезпечує два режими доступу до передавального середовища:

• розподілений режим DCF (Distributed Coordination Function);
• централізований режим PCF (Point Coordination Function).

1) Розподілений режим доступу DCF

У цьому режимі реалізується метод множинного доступу з контролем  несучої та запобіганням колізій (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – CSMA/CA). Замість неефективного в бездротових мережах прямого розпізнавання колізій за методом CSMA/CD тут використовується непряме їх виявлення. Для цього кожен переданий кадр має підтверджуватися кадром позитивної квитанції, посланим станцією призначення. Якщо ж після закінчення обумовленого тайм-ауту квитанція не надходить, станція-відправник вважає, що сталася колізія.

Режим доступу DCF вимагає  синхронізації станцій. У специфікації 802.11 ця проблема вирішується досить елегантно – тимчасові інтервали починають відраховуватися від моменту закінчення передачі чергового кадру. Це не вимагає передачі будь-яких спеціальних синхронізуючих сигналів і не обмежує розмір пакету розміром слота, так як слоти приймаються до уваги тільки при ухваленні рішення про початок передачі кадру.

Станція, яка хоче передати кадр, зобов'язана попередньо прослухати середовище. Стандарт IEEE 802.11 передбачає два механізми контролю активності в каналі (виявлення несучої): фізичний і віртуальний. Перший механізм реалізований на фізичному рівні і зводиться до визначення рівня сигналу в антені і порівнянні його з порогової величиною. Віртуальний механізм виявлення несучої заснований на тому, що в переданих кадрах даних, а також у керуючих кадрах АСК і RTS/CTS міститься інформація про час, необхідному для передачі пакета (або групи пакетів) і отримання підтвердження. Всі пристрої мережі отримують інформацію про поточну передачу і можуть визначити, скільки часу канал буде зайнятий, тобто пристрій при встановленні зв'язку повідомляє всім, на який час воно резервує канал. Як тільки станція фіксує закінчення передачі кадру, вона зобов'язана відрахувати інтервал часу, рівний міжкадровому інтервалу (IFS). Якщо після закінчення IFS середовище все ще вільне, починається відлік слотів фіксованої тривалості. Кадр можна передавати тільки на початку якого-небудь з слотів за умови, що середовище вільне.

2) Централізований режим  доступу PCF

У тому випадку, коли в мережі є станція, яка виконує функції  точки доступу, може також застосовуватися  централізований режим доступу PCF, що забезпечує пріоритетне обслуговування трафіку. У цьому випадку говорять, що точка доступу грає роль арбітра  середовища.

Режим доступу PCF в мережах 802.11 співіснує з режимом DCF. Обидва режиму координуються за допомогою  трьох типів міжкадрових інтервалів.

Після звільнення середовища кожна станція відраховує час  простою середовища, порівнюючи його з трьома значеннями:

• короткий міжкадровий інтервал (Short IFS – SIFS);
• міжкадровий інтервал режиму PCF (PIFS);
• міжкадровий інтервал режиму DCF (DIFS).

Захоплення середовища за допомогою розподіленої процедури DCF можливий тільки в тому випадку, коли середовище вільне протягом часу, рівного чи більшого, ніж DIFS. Тобто в якості IFS в режимі DCF потрібно використовувати інтервал DIFS – найтриваліший період з трьох можливих, що дає цьому режиму найнижчий пріоритет.

Міжкадровий інтервал SIFS має  найменше значення, він служить для  першочергового захоплення середовища відповідними CTS-кадрами, квитанціями, які продовжують або завершують вже почату передачу кадру.

Значення міжкадрового інтервалу PIFS більше, ніж SIFS, але менше, ніж DIFS. Проміжком часу між завершенням PIFS і DIFS користується арбітр середовища. У цьому проміжку він може передати спеціальний кадр, який говорить всіх станціях, що починається контрольований період. Отримавши цей кадр, станції, які хотіли б скористатися алгоритмом DCF для захоплення середовища, вже не можуть цього зробити, вони повинні чекати закінчення контрольованого періоду. Його тривалість оголошується в спеціальному кадрі, але цей період може закінчитися і раніше, якщо у станцій немає чутливого до затримок трафіку. У цьому випадку арбітр передає службовий кадр, після якого після закінчення інтервалу DIFS починає працювати режим DCF.

На керованому інтервалі  реалізується централізований метод  доступу PCF. Арбітр виконує процедуру  опитування, щоб по черзі надати кожної такої станції право на використання середовища, направляючи  їй спеціальний кадр. Станція, отримавши  такий кадр, може відповісти іншим  кадром, що підтверджує прийом спеціального кадру і одночасно передає  дані (або на адресу арбітра для  транзитної передачі, або безпосередньо  станції).

Для того щоб якась частка середовища завжди діставалася асинхронного трафіку, тривалість контрольованого  періоду обмежена. Після його закінчення арбітр передає відповідний кадр і починається неконтрольований період.

Кожна станція може працювати  в режимі PCF, для цього вона повинна  підписатися на дану послугу при  приєднанні до мережі.

5. Яким чином забезпечується  рівноправний доступ абонентів  до передавального середовища  в методі DCF?

На перший погляд організувати спільний доступ до середовища передачі даних не складає ніяких труднощів: для цього лише необхідно забезпечити, щоб всі вузли передавали дані тільки тоді, коли середовище є вільним, тобто коли ні один з вузлів не виробляє передачу даних. Однак такий механізм неминуче призведе до колізій, оскільки велика ймовірність того, що відразу два або більше вузлів, намагаючись отримати доступ до середовища передачі даних, вирішать, що середовище вільне, і почнуть одночасну передачу. Саме тому необхідно розробити алгоритм, здатний знизити ймовірність виникнення колізій і в той же час гарантувати усіх вузлів мережі рівноправний доступ до середовища передачі даних.

Одним з варіантів організації  такого рівноправного доступу до середовища передачі даних є функція  розподіленої координації (DCF), заснована  на методі колективного доступу з  виявленням несучої і механізмом запобігання колізій (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA). При такій організації кожен вузол, перш ніж почати передачу, прослуховує середовище, намагаючись виявити що несе сигнал, і лише за умови, що середа вільна, може почати передачу даних.

Однак, як ми вже відзначали, в цьому випадку велика ймовірність  виникнення колізій, і для того, щоб  знизити ймовірність виникнення подібних ситуацій, використовується механізм уникнення колізій (Collision Avoidance, CA). Суть цього механізму полягає  в наступному. Кожен вузол мережі, переконавшись, що середовище вільне, перш ніж почати передачу, вичікує протягом певного проміжку часу. Цей проміжок є випадковим і складається з двох складових: обов'язкового проміжку DIFS (DCF Interframe Space) і вибираного випадковим чином проміжку зворотного відліку (Backoff Time). В результаті кожен вузол мережі перед початком передачі вичікує протягом випадкового проміжку часу, що, природно, значно знижує ймовірність виникнення колізій, оскільки ймовірність того, що два вузли мережі будуть вичікувати протягом одного і того ж проміжку часу, надзвичайно мала.

Щоб гарантувати усіх вузлів мережі рівноправний доступ до середовища передачі даних, необхідно відповідним  чином визначити алгоритм вибору тривалості проміжку зворотного відліку. Цей проміжок хоча і є випадковим, але вибирається з безлічі  деяких дискретних проміжків часу, тобто дорівнює цілого числа елементарних часових проміжків, званих тайм-слотами (SlotTime). Для вибору проміжку зворотного відліку кожен вузол мережі формує так зване "вікно конкурентного  доступу (Contention Window, CW), що використовується для визначення кількості тайм-слотів, протягом яких станція вичікувала перед  передачею. Мінімальною розмір вікна  визначається в 31 тайм-слот, а максимальний – у 1023 тайм-слота.

Коли вузол мережі намагається  отримати доступ до середовища передачі даних, то після обов'язкового проміжку очікування DIFS запускається процедура  зворотного відліку, тобто включається  зворотний відлік лічильника тайм-слотів починаючи від цієї величини вікна. Якщо протягом всього проміжку очікування середовище залишалося вільним, то вузол починає передачу.

Після успішної передачі вікно  формується знову. Якщо ж за час очікування передачу почав інший вузол мережі, то значення лічильника зворотного відліку  зупиняється і передача даних  відкладається. Після того як середовище стане вільним, цей вузол знову починає процедуру зворотного відліку, але вже з меншим розміром вікна, який визначається попереднім значенням лічильника зворотного відліку, і відповідно з меншим значенням часу очікування. При цьому очевидно, що чим більше число раз вузол відкладає передачу через зайнятість середовища, тим вища ймовірність того, що наступного разу він отримає доступ до середовища передачі даних.