Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

239

соба обслуживания: асинхронный (Asynchronous Data Service) и обслужи-

вание с ограниченным временем (Time Bounded Service).

При асинхронном обслуживании каждая из станций может получить

доступ к разделяемой среде, но при этом возможны коллизии, которые стан-

ции пытаются предотвратить. Этот способ не гарантирует номинальную

пропускную способность сети. Служба используется как в сетях без базовой

станции, так и в сетях с точкой доступа. Способ ограниченного времени об-

служивания гарантирует максимально допустимое время доступа станции к

среде. Он применяется только в сетях с промежуточной станцией (точкой

доступа). В процессе реализации способа формируются так называемые су-

перкадры с двумя временными интервалами:

1) бесконкурентного доступа, в течение которого точка доступа по-

очередно опрашивает станции и при их готовности осуществляет обмен

кадрами, при этом гарантируется номинальная производительность сети;

2) состязательного доступа.

Подробнее о способах доступа к WLAN сказано ниже.

3.7.3. Стандартизация построения беспроводных сетей

Для беспроводных сетей разработан стандарт IEEE 802.11. Организа-

ция IEEE постоянно совершенствует спецификацию, чтобы обеспечить ее

применимость в более широком кругу приложений. В настоящее время реа-

лизованы стандарты 802.11, 802.11b и 802.11g. Основные параметры стан-

дарта 802.11b следующие:

 несущая частота излучаемых сигналов – 2,4 ГГц;

 число непересекающихся частотных каналов – 3;

 модуляция с использованием комплементарных кодовых последова-

тельностей CCK (Complementary Code Keying), с шириной полосы 22 МГц на

канал и одной несущей (см.п.2.4.4);

 метод доступа – CSMA/CA, (подробнее о нем в п. 3.7.4);

 максимальная скорость передачи данных – 11 Мбит/с.

Параметры стандарта 802.11a заметно отличаются от 802.11b:

 несущая частота – 5 ГГц;

 число непересекающихся частотных каналов — 8;

 модуляция — многочастотная передача ортогональными сигналами

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), с шириной полосы 20

МГц на канал с применением несколько несущих (см. п.2.4.5);

 метод доступа – CSMA/CA;

 максимальная скорость передачи данных – 54 Мбит/с.

Компьютерные сети

240

Данные по стандарту 802.11b передаются на частоте 2,4 ГГц с одной

из фиксированных скоростей 1, 2, 5,5 или 11 Мбит/с с использованием двух–

или четырехпозиционной дифференциально–фазовой модуляции BPSK и

QPSK. В полосе частот 2,400…2,48354 ГГц можно организовать до 14 кана-

лов. В качестве примера на рисунке 3.41 показано распределение частот для

трех неперекрывающихся по полосе каналов: 1-го (2,412 ГГц), 6-го (2,437

ГГц) и 11-го (2,462 ГГц). При таком расположении частот удается не только

снизить взаимные помехи между каналами, но и упростить управление.

Дальность действия абонентского оборудования стандарта 802.11b не

превышает 100 м и зависит от скорости передачи, уровня и характера помех,

а также от требований к качеству обслуживания. Чтобы обеспечить прием-

лемое качество соединения при снижении отношения сигнал/помеха, в спе-

цификациях предусмотрена возможность автоматического снижения скоро-

сти информационного обмена.

Стандарт 802.11a использует в диапазоне 5 ГГц полосу частот шири-

ной 300 МГц. Этот диапазон менее загружен, чем 2,4 ГГц, а следовательно,

свободнее от помех. Суммарная доступная ширина спектра в нем примерно в

четыре раза выше, чем в диапазоне 2,4 МГц (83 МГц). Вся полоса частот

разделяется на три участка по 100 МГц каждый: 5,15…5,25 ГГц (нижний),

5,25…5,35 ГГц (средний) и 5,725…5,825 ГГц (верхний). В любом из них мо-

гут быть организованы четыре неперекрывающихся канала, а во всей выде-

ленной полосе –12 частотных каналов. В каждом из участков спектра допус-

кается своя максимальная мощность излучения: 50 мВт (нижний), 250 мВт

(средний) и 1 Вт (верхний).

Следует заметить, что спектральные составляющие сигналов диапазо-

на 5 ГГц более интенсивно поглощаются стенами зданий и другими препят-

ствиями. Следовательно, потери при распространении сигналов в этом диа-

пазоне выше. По этой причине радиус действия станций при прочих равных

Рисунок 3.41 – Распределение частот по каналам для беспроводных

сетей по стандарту 802.11b

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

241

условиях вдвое меньше, чем для диапазона 2,4 ГГц. В связи с этим для орга-

низации такой же по покрытию сети потребуется большее количество точек

доступа, чем для сети на базе стандарта 802.11b.

Следующей разработкой в области беспроводных сетей стал стандарт

802.11g, цель которого – увеличение скорости передачи данных в диапазоне

частот 2,4 ГГц. Повышение скорости до 54 Мбит/с достигнуто за счет новых

видов модуляции, в частности, ортогонального частотного мультиплексиро-

вания OFDM. В качестве базовых использованы две технологии передачи

сигналов: OFDM и CCK. Способ OFDM гарантирует передачу данных со

скоростью до 54 Мбит/с, а кодовая манипуляция CCK обеспечивает обрат-

ную совместимость со стандартом 802.11b.

Кроме обязательных методов передачи, в стандарте 802.11g предложе-

ны две дополнительные технологии широкополосного доступа: кодирование

с двоичной сверткой пакетов PBCC (Paket Binary Convolution Coding) и ком-

бинирование способов модуляции CCK/OFDM, которые могут быть реали-

зованы в базовом оборудовании по желанию потребителя. Первая из них

обеспечивает скорость передачи до 33 Мбит/с (первоначально 22 Мбит/с).

Другая, основанная на комбинированном методе CCK/OFDM, позволяет пе-

редавать служебную информацию с использованием модуляции CCK, а по-

лезную – при помощи OFDM (54 Мбит/с).

Многие производители беспроводных сетей вводят дополнительные

функции в технологию передачи данных. В основе всех технологий расши-

рения протокола 802.11g лежат такие принципы, как пакетная передача

(Packet Bursting), сжатие данных, быстрые кадры и связывание каналов. В

режиме пакетной передачи все кадры, передаваемые в одном блоке, исполь-

зуют сокращенные заголовки, что позволяет уменьшить объем передаваемой

служебной информации и тем самым увеличить полезный трафик.

Некоторые производители для увеличения пропускной способности

объединяют два канала с полосой пропускания по 22 МГц, чем повышают

скорость передачи до 108 Мбит/с. Такой прием возможен по той причине,

что стандарт 802.11g разрешает применять одиннадцать каналов в частотной

полосе 2,4 ГГц, которые разделены промежутками по 5 МГц. Поскольку об-

щепринятая ширина каждого канала составляет 22 МГц, имеется три канала

без частичного наложения (1, 6 и 11), центральные частоты которых отстоят

друг от друга на 25 МГц. Очевидно, что передача на двойной скорости воз-

можна только на центральном канале номер 6.

В середине 2006 г. был одобрен новый стандарт 802.11n. Специфика-

ция 802.11n, предусматривает возможность передачи данных в беспровод-

ных сетях со скоростью до 600 Мбит/с. Стандарт 802.11n использует частот-

ные диапазоны 2,4 ГГц и 5 ГГц и совместим с 802.11a/b/g. Для повышения

скорости используется способ с так называемым множественным вво-

Компьютерные сети

242

дом/выводом MIMO (Multiple Input Multiple Output), при котором осуществ-

ляется параллельная передача множества сигналов в различных частотных

диапазонах. Технология использует мультиплексирование типа SDM (Spatial

Division Multiplexing), при котором сигнал передаётся на нескольких различ-

ных частотах одновременно, после приёма превращаясь в единый скорост-

ной поток данных. Однако для реализации MIMO на практике необходимо,

чтобы для каждого потока данных использовались свои антенны, цепи приё-

ма/передачи и АЦП.

Дополнительное увеличение скорости передачи сигналов достигается

за счет увеличения используемой полосы канала в два раза (до 40 МГц).

3.7.4. Способы доступа пользователей к ресурсам сети

В сетях IEEE 802.11 используется полудуплексный режим передачи,

т.е. в каждый момент времени станция может либо принимать, либо переда-

вать информацию, поэтому обнаружить коллизию в процессе передачи не-

возможно. По этой причине для IEEE 802.11 был разработан модифициро-

ванный вариант протокола CSMA/CD с предотвращением коллизий, полу-

чивший название CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision

Avoidance). Функционирование сети в соответствии с этим протоколом про-

исходит следующим образом. Станция, которая собирается передавать ин-

формацию, сначала "прослушивает эфир". Если не обнаружено активности

на рабочей частоте, станция сначала ожидает в течение некоторого случай-

ного промежутка времени, потом снова "слушает эфир" и, если среда пере-

дачи данных все еще свободна, осуществляет передачу. Наличие случайной

задержки необходимо для того, чтобы работа сети не нарушалась, если не-

сколько станций одновременно захотят получить доступ к каналу. При полу-

чении информационного пакета без искажений принимающая станция посы-

лает источнику сообщение подтверждения. Для обеспечения безошибочно-

сти приема применяется контрольная последовательность пакета. Получив

подтверждение, передающая станция считает процесс передачи данного ин-

формационного пакета завершенным. Если подтверждение не получено,

станция-источник полагает, что произошла коллизия, и пакет передается

снова через случайный промежуток времени.

Существует еще одна специфичная для беспроводных сетей проблема.

Она возникает в ситуации, когда две клиентские станции имеют плохую

связь друг с другом, но при этом качество связи каждой из них с точкой дос-

тупа хорошее. В таком случае передающая клиентская станция может по-

слать в точку доступа запрос на очистку эфира. Тогда по команде с точки

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

243

доступа другие клиентские станции прекращают передачу на время "обще-

ния" двух точек с плохой связью. Режим принудительной очистки эфира

(протокол Request to Send/Clear to Send – RTS/CTS) реализован далеко не во

всех моделях оборудования IEEE 802.11 и, если он есть, то включается лишь

в крайних случаях.

В отличие от проводной Ethernet, в которой при потоковой передаче

используется распределенное управление доступом к моноканалу, в беспро-

водных сетях IEEE 802.11 применяется централизованное управление досту-

па. Клиентские станции последовательно опрашиваются на предмет переда-

чи потоковых данных. Если какая-нибудь из станций сообщает, что она бу-

дет передавать потоковые данные, точка доступа выделяет ей промежуток

времени, в который из всех станций сети будет передавать только одна.

На МАС-уровне протокола 802.11 определно два типа коллективного

доступа к среде передачи данных: функция распределенной координации –

DCF (Distributed Coordination Function) и функция централизованной ко-

ординации PCF (Point Coordination Function). Рассмотрим более подробно

каждый из этих механизмов.

Функция распределенной координации DCF реализована на основе ме-

тода коллективного доступа с обнаружением несущей и механизмом избе-

жания коллизий CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision

Avoidance). При такой организации каждый узел, прежде чем начать переда-

чу, «прослушивает» среду, пытаясь обнаружить несущий сигнал, и только

при условии, что среда свободна, может начать передачу данных.

Однако, в этом случае велика вероятность возникновения коллизий,

когда два или более узлов сети одновременно (или почти одновременно) ре-

шат, что среда свободна, и начнут предавать данные. Для того чтобы снизить

вероятность возникновения подобных ситуаций, используется механизм

предотвращения коллизий CA (Collision Avoidance).

С целью уменьшения вероятности возникновения коллизий в беспро-

водных сетях после передачи каждого кадра должны выдерживаться меж-

кадровые паузы. Стандартом установлено три вида таких интервалов:

 межкадровый интервал ожидания DISF (DCF Interframe Space), ис-

пользуемый при асинхронном способе обслуживания; его должны выдержи-

вать все станции с момента освобождения среды передачи;

 межкадровый интервал ожидания PIFS (PCF Interframe Space), приме-

няется в сетях с гарантированным временем обслуживания; этот интервал

должна выдержать ведущая станция перед началом процедуры опроса под-

чиненных станций;

 укороченный межкадровый интервал SIFS (Short Interframe Space); это

самая короткая пауза, которая используется станциями при передаче пакетов

квитирования.

Компьютерные сети

244

Суть механизма избежания коллизий CA заключается в следующем.

Каждый узел сети, убедившись, что среда свободна, прежде чем начать пе-

редачу, выжидает в течение определенного промежутка времени. Этот про-

межуток является случайным и складывается из двух составляющих: обяза-

тельного промежутка DIFS и выбираемого случайным образом промежутка

обратного отсчета (backoff time). В результате каждый узел сети перед нача-

лом передачи выжидает в течение случайного промежутка времени. Это су-

щественным образом снижает вероятность возникновения коллизий, по-

скольку вероятность того, что два узла сети будут выжидать в течение одно-

го и того же промежутка времени, чрезвычайно мала.

Для того чтобы гарантировать всем узлам сети равноправный доступ к

среде передачи данных, необходимо соответствующим образом определить

алгоритм выбора длительности промежутка обратного отсчета T

bot

. Этот

промежуток, хотя и является случайным, но в то же время определяется на

основании множества некоторых дискретных промежутков времени, т.е. ра-

вен целому числу элементарных временных промежутков T

, именуемых

тайм-слотами (SlotTime). Для выбора промежутка обратного отсчета каждый

узел сети при начальной инициализации формирует так называемое окно

конкурентного доступа CW (Contention Window). Оно используется для оп-

ределения количества тайм-слотов, в течение которых каждая станция сети

выжидает после завершения выдачи в эфир одной из станций текущего кад-

ра, прежде чем начать передачу своего блока. Фактически окно CW – это

диапазон для выбора количества тайм-слотов, причем, в реальных сетях ми-

нимальной размер окна определяется в 31 тайм-слот, а максимальный –

1023. Промежуток обратного отсчета вычисляется как количество тайм-

слотов, рассчитанное на основании размера окна CW:

bot

= Random [CW

min

, CW

max

] × T

Временная диаграмма, иллюстрирующая равномерный доступ компь-

ютеров к среде на основе способа распределенной координации DCF показа-

на на рисунке 3.42. Когда узел сети пытается получить доступ к среде, то по-

сле обязательного промежутка ожидания DIFS запускается процедура обрат-

ного отсчета, т.е. включается обратный отсчет счетчика тайм-слотов, начи-

ная от выбранного случайного значения окна CW. Если в течение всего про-

межутка ожидания среда оставалась свободной, то узел начинает передачу.

В данном примере диаграмма иллюстрирует асинхронный доступ к среде

трех станций. Черными треугольниками на диаграмме отмечены моменты

подачи запросов передачи данных от верхнего уровня.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

245

Из рисунка видно, что запрос на передачу от станции А поступил в

момент времени, когда среда не занята. Поэтому после истечения обязатель-

ного фиксированного межкадрового интервала ожидания DIFS станция А

начинает передачу кадра. Во время его передачи поступили запросы от стан-

ций Б и В. Так как среда передачи занята, обе станции вычисляют случайное

значение интервала обратного отсчета (Backoff), которое в нашем примере

для станции Б равно 4 тайм-слота, а для станции В – 6.

По завершению передачи первого кадра наступает обязательная пауза

DIFS, во время которой от станции А снова поступил запрос на передачу. Но

так как среда занята, а станция А только завершила передачу кадра, то в ней

устанавливается максимально возможное окно конкурентного доступа CW,

которое в приведенном примере равно 10. Передача второго кадра начнется

станцией Б лишь после завершения фиксированного интервала DIFS и

уменьшении значения счетчика обратного счета до нуля, которое осуществ-

ляется путем его многократного декрементирования с интервалом T

. Стан-

ции А и В при этом задерживают передачу своих данных. Одновременно

декрементируются и счетчики остальных станций. По завершению передачи

второго кадра и истечению обязательной паузы среду займет станция В, так

как ее случайный интервал составляет всего два тайм-слота по сравнению с

6-ю в станции А.

Рассмотренный алгоритм реализации коллективного доступа к среде

передачи данных гарантирует равноправный доступ всех узлов сети к среде.

Однако при таком подходе вероятность возникновения коллизий хотя и ма-

ла, но все-таки существует. Снизить вероятность возникновения коллизий

можно путем увеличения максимального размера формируемого окна CW. В

то же время это увеличит величины задержек при передаче и тем самым сни-

зит производительность сети. Поэтому в методе распределенного управле-

ния DCF для минимизации коллизий используется следующий алгоритм.

После каждого успешного приема кадра принимающая сторона через корот-

Рисунок 3.42 – Реализация равноправного доступа к среде передачи

данных методом DCF

Компьютерные сети

246

кий промежуток SIFS (Short Interframe Space) подтверждает прием, посылая

ответную квитанцию – кадр подтверждения ACK (рисунок 3.43).

Если в процессе передачи данных возникла коллизия, то передающая

сторона не получает кадр ACK об успешном приеме. В этом случае размер

CW-окна для передающего узла увеличивается почти вдвое.

Так, если для первой передачи размер окна равен 31 слоту, то для вто-

рой попытки передачи он уже составляет 63 слота, для третьей – 127 слотов,

для четвертой – 255, для пятой – 511, а для всех последующих – 1023 слота.

Тогда для каждой i-й передачи (если все предыдущие оказались безуспеш-

ными) размер CW-окна увеличивается по следующему правилу:

CWi = 2CW

i–1

+1 .

Таким образом, увеличение размера окна происходит динамически по

мере роста числа коллизий, что позволяет, с одной стороны, уменьшить вре-

менные задержки и, с другой стороны, снизить вероятность возникновения

коллизий.

При реализации алгоритма равноправного доступа к среде передачи

необходимо также учитывать и размер кадра данных. Так, при длинных кад-

рах повторная передача вследствие коллизий приведет к резкому снижению

производительности сети. Короткие кадры хотя и обеспечивают равномер-

ный доступ, однако из-за большой доли служебной информации эффектив-

ная скорость передачи данных снижается.

Как уже упоминалось выше, в беспроводных сетях с точкой доступа

возможна ситуация, когда две станции настолько удалены друг от друга, что

в связи с затуханием радиосигналов или наличием между ними естественных

препятствий они не имеют возможности "слышать" друг друга. Такие стан-

ции называют скрытыми. Во время сеанса связи одной из станций с точкой

доступа, скрытая станция не обнаружив несущей, также пытается связаться с

центральным узлом, в результате чего возникает коллизия. Для устранения

Рисунок 3.43 – Кадры квитанции, отсылаемые в случае

успешной передачи данных

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

247

таких ситуаций в беспроводных сетях опционально предусмотрено исполь-

зование алгоритма RTS/CTS (см. также п.1.5.3).

В соответствии c алгоритмом RTS/CTS каждый узел сети, перед тем

как послать данные в «эфир», сначала отправляет специальный пакет RTS

(Request To Send), что означает запрос источника на передачу данных. RTS-

пакет содержит адрес отправителя и получателя, а также сведения о продол-

жительности предстоящей передачи. Точка доступа, получив пакет RTS, по-

сле истечения обязательной межкадровой фиксированной паузы SIFS<DIFS,

отвечает посылкой пакета CTS (Clear To Send), свидетельствующего о го-

товности станции к приему информации и дающего команду остальным

станциям прекратить передачу – "очистить эфир". В пакете содержится так-

же уточненное время передачи. Это позволяет другим узлам задержать по-

пытку занять среду на время, равное объявленной длительности сеанса свя-

зи. После этого передающая станция посылает пакет данных, а приемная

станция должна передать кадр ACK, подтверждающий безошибочный при-

ем. Последовательность отправки кадров между двумя узлами сети показана

на рисунке 3.44.

Рассмотренный выше механизм распределенной координации DCF яв-

ляется базовым для протоколов 802.11 и может использоваться как в беспро-

водных сетях без базовой станции Ad-HOC, так и в сетях с базовой станцией

типа Infrastructure. Однако для сетей Infrastructure более естественным явля-

ется несколько иной механизм регламентирования коллективного доступа,

известный как функция централизованной координации PCF (Point

Coordination Function). Отметим, что механизм PCF является опциональным

и применяется только в сетях с точкой доступа.

В случае использования механизма PCF один из узлов сети (точка дос-

тупа) является центральным и называется центром координации PC (Point

Coordinator). На центр координации возлагается задача управления коллек-

тивным доступом всех остальных узлов сети к среде передачи данных на ос-

нове определенного алгоритма опроса (поллинга) или исходя из приоритетов

узлов сети, т.е. центр координации опрашивает все узлы сети, внесенные в

его список, и на основании этого опроса организует передачу данных между

Рисунок 3.44 – Взаимодействие между двумя узлами сети в соответствии

с алгоритмом RTS/CTS

Компьютерные сети

248

всеми узлами сети. Такой подход полностью исключает конкурирующий

доступ к среде, как в случае механизма DCF, и делает невозможным возник-

новение коллизий, а для времязависимых приложений гарантирует приори-

тетный доступ к среде. Таким образом, PCF может использоваться для орга-

низации приоритетного доступа к среде передачи данных.

Функция централизованной координации не отрицает функцию рас-

пределенной координации, а в ряде случаев дополняет. На практике в сетях с

механизмом централизованной координации PCF реализуется как механизм

PCF, так и традиционный механизм распределенной координации DCF. В

течение определенного промежутка времени действует централизованная

координация доступа PCF, затем – конкурентная DCF, а потом все повторя-

ется заново.

Для того чтобы иметь возможность чередовать режимы PCF и DCF,

необходимо, чтобы точка доступа, выполняющая функции центра координа-

ции и реализующая режим PCF, имела бы приоритетный доступ к среде пе-

редачи данных. Это можно сделать, если использовать конкурентный доступ

к среде передачи данных (как и в методе DCF), но для центра координации

разрешить использовать промежуток ожидания, меньший DIFS. В этом слу-

чае, если центр координации пытается получить доступ к среде, то он ожи-

дает (как и все остальные узлы сети) окончания текущей передачи и, по-

скольку для него определяется минимальный режим ожидания после обна-

ружения «тишины» в эфире, первым получает доступ к среде. Промежуток

ожидания, определяемый для центра координации, называется PIFS (PCF

Interframe Space), причем SIFS<PIFS<DIFS.

В способе с чередованием механизмов режимы распределенной и цен-

трализованной координации объединяются в так называемый суперфрейм,

который образуется из промежутка бесконкурентного доступа к среде, назы-

ваемого CFP (Contention-Free Period), и следующего за ним промежутка

конкурентного доступа к среде CP (Contention Period) (рисунок 3.45).

Суперфрейм начинается с управляющего сигнального (маячного) кад-

ра Beacon, получив который, все узлы сети приостанавливают попытки пе-

редавать данные на время, определяемое периодом бесконкурентного досту-

Рисунок 3.45 – Объединение режимов PCF и DCF в одном суперфрейме