Таненбаум Э. Компьютерные сети

Подождите немного. Документ загружается.

334 Глава 4. Подуровень управления доступом к среде

Ethernet. В частности, в каждый момент времени может передавать только одна

станция. Другими словами, концентраторы работают с полудуплексными соеди-

нениями.

В коммутаторе все приходящие кадры буферируются на плате, обслуживаю-

щей линию. Хотя при таком подходе карты и сам концентратор становятся доро-

же, все станции могут передавать (и принимать) кадры одновременно, что значи-

тельно повышает суммарную производительность системы, часто на порядок и бо-

лее. Хранящиеся в буфере кадры обмениваются между картой источника и картой

приемника по высокоскоростной объединительной плате. Объединительная пла-

та никак не стандартизована. В этом нет необходимости, так как она спрятана

глубоко внутри коммутатора. Кроме того, это предоставляет свободу производи-

телям коммутаторов, которые будут состязаться, пытаясь создать все более бы-

струю плату. Поскольку оптоволоконные кабели системы 100Base-FX слишком

длинны для алгоритма столкновений, стандартного для сети Ethernet, их следует

присоединять к буферированным коммутируемым концентраторам, так чтобы

каждый кабель представлял собой отдельную область столкновений.

В заключение разговора о быстром Ethernet стоит отметить, что практически

все коммутаторы могут поддерживать и 10-, и 100-мегабитные станции. Это сде-

лано для пущего удобства тех, кто постепенно обновляет аппаратуру. По мере

появления новых 100-мегабитных станций нужно просто покупать необходимое

количество плат обслуживания линий и вставлять их в коммутатор. В стандарт

включена возможность автоматического выбора станциями оптимальной ско-

рости (10 или 100) и полудуплексного или полнодуплексного режима. Боль-

шая часть аппаратуры быстрого Ethernet использует эту функцию для самона-

стройки.

Гигабитная сеть Ethernet

Не успело еще, как говорится, обсохнуть молоко на губах только что родившего-

ся стандарта быстрого Ethernet, как комитет 802 приступил к работе над новой

версией (1995). Ее почти сразу окрестили гигабитной сетью Ethernet, а в 1998 го-

ду новый стандарт был уже ратифицирован IEEE под официальным названием

802.3z. Тем самым разработчики подчеркнули, что это последняя разработка в

линейке 802.3 (если только кто-нибудь в срочном порядке не придумает называть

стандарты, скажем, 802.3ы. Между прочим, Бернард Шоу предлагал расширить

английский алфавит и включить в него, в частности, букву «ы». — Примеч. пе-

рев.). Далее мы обсудим некоторые ключевые свойства гигабитного Ethernet. Бо-

лее подробную информацию можно найти в (Seifert, 1998).

Главные предпосылки создания 802.3z были те же самые, что и при создании

802.3и, — повысить в 10 раз скорость, сохранив обратную совместимость со ста-

рыми сетями Ethernet. В частности, гигабитный Ethernet должен был обеспечить

дейтаграммный сервис без подтверждений как при односторонней, так и при

групповой передаче. При этом необходимо было сохранить неизменными 48-

битную схему адресации и формат кадра, включая нижние и верхние ограниче-

ния его размера. Новый стандарт удовлетворил всем этим требованиям.

Сеть Ethernet 335

Гигабитные сети Ethernet строятся по принципу «точка — точка», в них не

применяется моноканал, как в исходном 10-мегабитном Ethernet, который те-

перь, кстати, величают классическим Ethernet. Простейшая гигабитная сеть, по-

казанная на рис. 4.20, а, состоит из двух компьютеров, напрямую соединенных

друг с другом. В более общем случае, однако, имеется коммутатор или концен-

тратор, к которому подсоединяется множество компьютеров, возможна также ус-

тановка дополнительных коммутаторов или концентраторов (рис. 4.20, б). Но в

любом случае к одному кабелю гигабитного Ethernet всегда присоединяются два

устройства, ни больше, ни меньше.

Ethernet

Компьютер

Коммутатор

или концентратор

Рис. 4.20. Сеть Ethernet, состоящая из двух станций (а); сеть Ethernet, состоящая из

множества станций (б)

Гигабитный Ethernet может работать в двух режимах: полнодуплексном и по-

лудуплексном. «Нормальным» считается полнодуплексный, при этом трафик мо-

жет идти одновременно в обоих направлениях. Этот режим используется, когда

имеется центральный коммутатор, соединенный с периферийными компьютерами

или коммутаторами. В такой конфигурации сигналы всех линий буферизируют-

ся, поэтому абоненты могут отправлять данные, когда им вздумается. Отправи-

тель не прослушивает канал, потому что ему не с кем конкурировать. На линии

между компьютером и коммутатором компьютер — это единственный потенци-

альный отправитель; передача произойдет успешно даже в том случае, если од-

новременно с ней ведется передача со стороны коммутатора (линия полнодуп-

лексная). Так как конкуренции в данном случае нет, протокол CSMA/CD не

применяется, поэтому максимальная длина кабеля определяется исключительно

мощностью сигнала, а вопросы времени распространения шумового всплеска здесь

не встают. Коммутаторы могут работать на смешанных скоростях; более того, они

автоматически выбирают оптимальную скорость. Самонастройка поддерживает-

ся так же, как и в быстром Ethernet.

Полудуплексный режим работы используется тогда, когда компьютеры со-

единены не с коммутатором, а с концентратором. Хаб не буферизирует входящие

кадры. Вместо этого он электрически соединяет все линии, симулируя монока-

нал обычного Ethernet. В этом режиме возможны коллизии, поэтому применяет-

336 Глава 4. Подуровень управления доступом к среде

Сеть Ethernet 337

ся CSMA/CD. Поскольку кадр минимального размера (то есть 64-байтный) мо-

жет передаваться в 100 раз быстрее, чем в классической сети Ethernet, макси-

мальная длина сегмента должна быть соответственно уменьшена в 100 раз. Она

составляет 25 м — именно при таком расстоянии между станциями шумовой

всплеск гарантированно достигнет отправителя до окончания его передачи. Если

бы кабель имел длину 2500 м, то отправитель 64-байтного кадра при 1 Гбит/с ус-

пел бы много чего наделать даже за то время, пока его кадр прошел только деся-

тую часть пути в одну сторону, не говоря уже о том, что сигнал должен еще и

вернуться обратно.

Комитет разработчиков стандарта 802.3z совершенно справедливо заметил,

что 25 м — это неприемлемо малая длина, и ввел два новых свойства, позволив-

ших расширить радиус сегментов. Первое называется расширением носителя.

Заключается это расширение всего-навсего в том, что аппаратура вставляет соб-

ственное поле заполнения, растягивающее нормальный кадр до 512 байт. По-

скольку это поле добавляется отправителем и изымается получателем, то про-

граммному обеспечению нет до него никакого дела. Конечно, тратить 512 байт на

передачу 46 байт — это несколько расточительно с точки зрения эффективности

использования пропускной способности. Эффективность такой передачи состав-

ляет всего 9 %.

Второе свойство, позволяющее увеличить допустимую длину сегмента, — это

пакетная передача кадров. Это означает, что отправитель может посылать не

единичный кадр, а пакет, объединяющий в себе сразу много кадров. Если полная

длина пакета оказывается менее 512 байт, то, как в предыдущем случае, произво-

дится аппаратное заполнение фиктивными данными. Если же кадров, ждущих

передачу, хватает на то, чтобы заполнить такой большой пакет, то работа систе-

мы оказывается очень эффективной. Такая схема, разумеется, предпочтительнее

расширения носителя. Эти методы позволили увеличить максимальную длину

сегмента до 200 м, что, наверное, для организаций уже вполне приемлемо.

Трудно представить себе организацию, которая потратила бы немало усилий

и средств на установку плат для высокопроизводительной гигабитной сети

Ethernet, а потом соединила бы компьютеры концентраторами, симулирующими

работу классического Ethernet со всеми его коллизиями и прочими проблемами.

Концентраторы, конечно, дешевле коммутаторов, но интерфейсные платы гига-

битного Ethernet все равно относительно дороги, поэтому экономия на покупке

концентратора вместо коммутатора себя не оправдывает. Кроме того, это резко

снижает производительность, и становится вообще непонятно, зачем было тра-

тить деньги на гигабитные платы. Однако обратная совместимость — это нечто

священное в компьютерной индустрии, поэтому, несмотря ни на что, в 802.3z по-

добная возможность предусматривается.

Гигабитный Ethernet поддерживает как медные, так и волоконно-оптические

кабели, что отражено в табл. 4.3. Работа на скорости 1 Гбит/с означает, что ис-

точник света должен включаться и выключаться примерно раз в наносекунду.

Светодиоды просто не могут работать так быстро, поэтому здесь необходимо

применять лазеры. Стандартом предусматриваются две операционных длины

волны: 0,85 мкм (короткие волны) и 1,3 мкм (длинные). Лазеры, рассчитанные

на 0,85 мкм, дешевле, но не работают с одномодовыми кабелями.

Таблица 4.3. Кабели гигабитного Ethernet

Название

1000Base-SX

1000Base-LX

1000Base-CX

1000Base-T

Тип

Оптоволокно

2 экранированные

витые пары

4 неэкранированные

витые пары

Длина сегмента

550

5000 м

25 м

100 м

Преимущества

Многомодовое волокно (50,

62,5

мкм)

Одномодовое (10 мкм) или

многомодовое (50,

62,5 мкм) волокно

Экранированная витая пара

Стандартная витая пара 5-й

категории

Официально допускается использование трех диаметров волокна: 10, 50 и

62,5 мкм. Первое предназначено для одномодовой передачи, два других — для

многомодовой. Не все из шести комбинаций являются разрешенными, а макси-

мальная длина сегмента зависит как раз от выбранной комбинации. Числа, при-

веденные в табл. 4.3, — это наилучший случай. В частности, пятикилометровый

кабель можно использовать только с лазером, рассчитанным на длину волны

1,3 мкм и работающим с 10-микрометровым одномодовым волокном. Такой ва-

риант, видимо, является наилучшим для магистралей разного рода кампусов и

производственных территорий. Ожидается, что он будет наиболее популярным

несмотря на то, что он самый дорогой.

1000Base-CX использует короткий экранированный медный кабель. Пробле-

ма в том, что его поджимают конкуренты как сверху (1000Base-LX), так и снизу

(1000Base-T). В результате сомнительно, что он завоюет широкое общественное

признание.

Наконец, еще один вариант кабеля — это пучок из четырех неэкранирован-

ных витых пар. Поскольку такая проводка существует почти повсеместно, то, по-

хоже, это будет «гигабитный Ethernet для бедных».

Новый стандарт использует новые правила кодирования сигналов, передающих-

ся по оптоволокну. Манчестерский код при скорости передачи данных 1 Гбит/с

потребовал бы скорости изменения сигнала в 2 Гбод. Это слишком сложно и за-

нимает слишком большую долю пропускной способности. Вместо манчестерского

кодирования применяется схема, называющаяся 8В/10В. Как нетрудно дога-

даться по названию, каждый байт, состоящий из 8 бит, кодируется для передачи

по волокну десятью битами. Поскольку возможны 1024 результирующих кодо-

вых слова для каждого входящего байта, данный метод дает некоторую свободу

выбора кодовых слов. При этом принимаются в расчет следующие правила:

• ни одно кодовое слово не должно иметь более четырех одинаковых битов

подряд;

• нив одном кодовом слове не должно быть более шести нулей или шести

единиц.

338 Глава 4. Подуровень управления доступом к среде

Сеть Ethernet 339

Почему именно такие правила? Во-первых, они обеспечивают достаточное

количество изменений состояния в потоке данных, необходимое для того, чтобы

приемник оставался синхронизированным с передатчиком. Во-вторых, количе-

ство нулей и единиц стараются примерно выровнять. К тому же многие вхо-

дящие байты имеют два возможных кодовых слова, ассоциированных с ними.

Когда кодирующее устройство имеет возможность выбора кодовых слов, оно, ве-

роятно, выберет из них то, которое сравняет число нулей и единиц.

Ссбалансированному количеству нулей и единиц потому придается такое

значение, что необходимо держать постоянную составляющую сигнала на как

можно более низком уровне. Тогда она сможет пройти через преобразователи

без изменений. Люди, занимающиеся computer science, не в восторге от того, что

преобразовательные устройства диктуют те или иные правила кодирования сиг-

налов, но жизнь есть жизнь.

Гигабитный Ethernet, построенный на 1000Base-T, использует иную схему

кодирования, поскольку изменять состояние сигнала в течение 1 не для медного

кабеля затруднительно. Здесь применяются 4 витые пары категории 5, что дает

возможность параллельно передавать 4 символа. Каждый символ кодируется од-

ним из пяти уровней напряжения. Таким образом, один сигнал может означать

00, 01, 10 или 11. Есть еще специальное, служебное значение напряжения. На од-

ну витую пару приходится 2 бита данных, соответственно, за один временной

интервал система передает 8 бит по 4 витым парам. Тактовая частота равна

125 МГц, что позволяет работать со скоростью 1 Гбит/с. Пятый уровень напря-

жения был добавлен для специальных целей — кадрирования и управления.

1 Гбит/с — это довольно много. Например, если приемник отвлечется на какое-

то дело в течение 1 мс и при этом забудет/не успеет освободить буфер, это озна-

чает, что он «проспит» примерно 1953 кадра. Может быть и другая ситуация:

один компьютер выдает данные по гигабитной сети, а другой принимает их по

классическому Ethernet. Вероятно, первый быстро завалит данными второго.

В первую очередь переполнится буфер обмена. Исходя из этого было принято

решение о внедрении в систему контроля потока (так было и в быстром Ether-

net, хотя эти системы довольно сильно различаются).

Для реализации контроля потока одна из сторон посылает служебный кадр,

сообщающий о том, что второй стороне необходимо приостановиться на некото-

рое время. Служебные кадры — это, на самом деле, обычные кадры Ethernet, в

поле Туре которых записано 0x8808. Первые два байта поля данных — команд-

ные, а последующие, по необходимости, содержат параметры команды. Для кон-

троля потока используются кадры типа PAUSE, причем в качестве параметра

указывается продолжительность паузы в единицах времени передачи минималь-

ного кадра. Для гигабитного Ethernet такая единица равна 512 не, а паузы могут

длиться до 33,6 мс.

Гигабитный Ethernet был стандартизован, и комитет 802 заскучал. Тогда IEEE

предложил ему начать работу над 10-гигабитным Ethernet. Начались долгие по-

пытки найти в английском алфавите какую-нибудь букву после z. Когда стало

очевидно, что такой буквы нет в природе, от старого подхода решено было отка-

заться и перейти к двухбуквенным индексам. Так в 2002 году появился стандарт

802.3ае. Судя по всему, появление 100-гигабитного Ethernet уже тоже не за горами.

Стандарт IEEE 802.2: протокол LLC

Теперь, пожалуй, нужно вернуться назад и сравнить то, что мы изучили в этой

главе, с материалом предыдущей главы. Из главы 3 мы узнали, как между двумя

машинами по ненадежной линии с помощью различных протоколов передачи

данных могла быть установлена надежная связь. Эти протоколы обеспечивали

защиту от ошибок (с помощью подтверждений) и управление потоком (при по-

мощи протокола скользящего окна).

В этой главе, напротив, о надежной связи не было сказано ни слова. Единст-

венное, что предлагает набор стандартов 802, — это дейтаграммный сервис. В не-

которых случаях этого оказывается вполне достаточно. Например, при передаче

IP-пакетов не требуется и даже не ожидается никакой гарантии. IP-пакет мо-

жет быть просто помещен в информационное поле кадра стандарта 802 и послан

в нужном направлении. Если он потеряется, ничего не поделаешь.

Тем не менее, существуют системы, в которых требуется протокол передачи

данных, обеспечивающий защиту от ошибок и управление потоком. Комитет

IEEE разработал такой протокол, способный работать поверх Ethernet и других

протоколов стандарта 802. Этот протокол, получивший название LLC (Logical

Link Control — управление логическим соединением), скрывает различия между

различными типами сетей 802.x, предоставляя сетевому уровню единый формат

и интерфейс. Формат, интерфейс и протокол основаны на протоколе HDLC, ко-

торый мы уже рассматривали в главе 3. Подуровень LLC образует верхнюю по-

ловину уровня передачи данных, а подуровень MAC — нижнюю, как показано на

рис.

4.21.

Сетевой уровень

Уровень

передачи -<

данных

Пакет

LLC

MAC

LLC | Пакет

MAC | LLC | Пакет [ MAC

Физический уровень Сеть

а б

Рис. 4.21. Расположение подуровня LLC (а); форматы протокола (б)

Обычно подуровень LLC используется следующим образом. Сетевой уровень

передает пакет для LLC с помощью примитивов доступа к подуровню. Затем

LLC добавляет к нему свой заголовок, содержащий порядковый номер и номер

подтверждения. Затем получившаяся в результате структура помещается в поле

Данных кадра 802.x, который передается по каналу. На приемной станции проис-

ходит обратный процесс.

Подуровень LLC предоставляет три следующих варианта сервисов: ненадеж-

ный дейтаграммный сервис, дейтаграммный сервис с подтверждениями и надеж-

340 Глава 4. Подуровень управления доступом к среде

ный ориентированный на соединение сервис. В заголовке LLC имеются три по-

ля: целевая точка доступа, исходная точка доступа и контрольное поле. Точки

доступа определяют, с какого процесса пришел кадр и какому процессу его нуж-

но доставить. Это аналог поля Туре кадра DIX. Контрольное поле содержит по-

рядковые номера и номера подтверждений, что также очень сильно напоминает

стиль HDLC (см. рис. 3.17), однако форматы все-таки немного различаются. Эти

поля используются в основном тогда, когда требуется надежное соединение на

уровне передачи данных. В данном случае протоколы идентичны обсуждавшим-

ся в главе 3. Для передачи через Интернет IP-пакетов подтверждения на уровне

LLC не требуются.

Ретроспектива Ethernet

Ethernet существует вот уже 20 лет, и никаких серьезных конкурентов за это вре-

мя не появилось. Похоже, и в ближайшее время не появятся. Очень немногие

микропроцессорные архитектуры, операционные системы и языки программиро-

вания могут похвастаться таким долгим и уверенным лидерством. Вероятно,

Ethernet чем-то очень выгодно отличается от всех остальных систем. Чем же?

Возможно, основной причиной столько длительного успеха является простота

и гибкость системы. Простота в данном случае означает, прежде всего, надеж-

ность, невысокую цену и легкость обслуживания. С тех пор, как на смену ответ-

вителям типа «зуб вампира» пришли BNC-коннекторы, чисто технические по-

ломки стали чрезвычайно редки. Человек так устроен, что он с трудом может

отказаться от чего-либо, что хорошо работает, в пользу чего-то другого. Нужно

принять во внимание и тот факт, что огромное количество кое-как собранной

компьютерной аппаратуры работает не слишком надежно. Именно по этой при-

чине так называемые апгрейды часто дают результат, прямо противоположный

ожидаемому. Бывает так, что системы после них работают не лучше, а даже хуже.

Вторая причина популярности Ethernet — это низкая цена. В самом деле, тон-

кий Ethernet и витая пара — это сравнительно недорогие среды передачи инфор-

мации. Сетевые карты тоже весьма дешевы. Единственное, что требует каких-то

существенных затрат, — это концентраторы и коммутаторы. Но к тому времени,

когда эти устройства появились, сети Ethernet уже прочно вошли в жизнь мно-

гих предприятий и организаций.

Сети Ethernet не доставляют большой головной боли системным админист-

раторам — они обслуживаются без особых проблем. Не нужно устанавливать ни-

какое программное обеспечение (кроме драйверов), и нет никаких конфигураци-

онных таблиц (в которых так просто ошибиться). Новые узлы добавляются

очень просто.

Еще одно достоинство Ethernet заключается в хорошем взаимодействии с

TCP/IP — доминирующим протоколом сети Интернет. IP — это протокол без

установления соединения, поэтому он без проблем внедряется в локальных се-

тях Ethernet, которые также используют протоколы без соединения. IP имеет до-

вольно плохую совместимость с сетями ATM, ориентированными на установку

соединения. Этот факт крайне негативно сказывается на популярности ATM.

Беспроводные локальные сети 341

Разработчикам Ethernet удалось добиться хороших показателей по самым

главным направлениям. Скорости выросли на несколько порядков, в систему

были внедрены коммутаторы и хабы, но эти изменения никак не коснулись про-

граммного обеспечения. Если продавец скажет: «Вот отличная новая сетевая

система! Она работает просто фантастически быстро и надежно! Вам необходи-

мо только выкинуть весь ваш старый железный хлам и стереть все старые про-

граммы», — у него возникнут проблемы с объемами продаж. FDDI, волоконно-

оптический канал и ATM были, конечно, быстры, ничего не скажешь, особенно

по сравнению с тогдашним Ethernet, но именно из-за того, что они не были со-

вместимы с Ethernet и были гораздо сложнее и тяжелее в обслуживании, про

них вскоре все забыли. А потом оказалось, что Ethernet догнал и перегнал их по

скорости работы, сумев не растерять при этом все свои старые достоинства. Все

соперники Ethernet давно почили в бозе, кроме ATM, — этакой телефонной кры-

сы, живущей в самом ядре телефонии.

Беспроводные локальные сети

Несмотря на то, что Ethernet чрезвычайно популярен, ему все же есть с кем со-

перничать. Беспроводные локальные вычислительные сети становятся все более

популярными, все больше и больше офисных зданий, аэровокзалов и других об-

щественных мест оборудуются соответствующей аппаратурой. Беспроводные

ЛВС могут существовать в двух конфигурациях: с базовой станцией и без нее.

Стандарт 802.11 принимает это во внимание и поддерживает оба варианта. Далее

мы вкратце рассмотрим данный стандарт.

Собственно говоря, мы уже касались вопроса беспроводных ЛВС в главе 1,

разделе «Ethernet». Теперь более пристальный взгляд обратим на технологическую

сторону стандарта 802.11. В последующих разделах речь пойдет о стеке протоко-

лов, методах радиопередачи (на физическом уровне), протоколе подуровня

MAC, структуре кадра и сервисах. Дополнительную информацию о стандарте

802.11 можно найти в следующих изданиях (Crow и др., 1997; Geier, 2002; Heegar

и др., 2001; Карр, 2002; О'Нага и Petrick, 1999; Serevance, 1999). Чтобы получить

информацию из первых рук, обратитесь к официальному техническому описа-

нию стандарта.

Стандарт 802.11: стек протоколов

Все протоколы, используемые семейством стандартов 802.x, схожи по структуре.

Часть стека протоколов изображена на рис. 4.22. Физический уровень практиче-

ски соответствует физическому уровню в модели OSI, а вот уровень передачи

данных во всех протоколах 802.x разбит на два или более подуровня. Что касает-

ся 802.11, то подуровень MAC (подуровень управления доступом к среде) отвеча-

ет за распределение канала, то есть за то, какая станция будет передавать следую-

щей. Над MAC в иерархии находится подуровень LLC (управления логическим

соединением), задача которого состоит в том, чтобы сделать различия стандартов

342 Глава 4. Подуровень управления доступом к среде

Беспроводные локальные сети 343

802.x невидимыми для сетевого уровня. Мы уже рассматривали LLC ранее, когда

речь шла об Ethernet, поэтому сейчас мы не будем возвращаться к этому материалу.

Управление логическим соединением

802.11

ИК

802.11

FHSS

802.11

DSSS

802.11а

OFDM

802.11b

HR-DSSS

802.11g

OFDM

Верхние

уровни

Уровень

передачи

данных

I Физический

| уровень

Рис. 4.22. Часть стека протоколов 802.11

Стандарт 802.11 1997 года определяет три метода передачи, реализуемые на

физическом уровне. Метод инфракрасной передачи сильно напоминает метод,

используемый в системах дистанционного управления бытовой техникой. В двух

других методах применяется радиосвязь небольшого радиуса действия (при этом

работают методы FHSS и DSSS). Они оба используют не подлежащую лицензи-

рованию часть спектра (диапазон ISM 2,4 ГГц). В этой же части спектра осуще-

ствляют передачу сигнала радиобрелоки открывания ворот гаражей, так что не

удивляйтесь, если ваш ноутбук не сможет в какой-то момент поделить эфир с ва-

шим же гаражом. Кроме того, в этом же диапазоне работают домашние радио-

телефоны и СВЧ-печи. Вне зависимости от метода скорость работы составляет

1-2 Мбит/с, и сигнал используется относительно маломощный, что позволяет

уменьшить количество конфликтов между передатчиками. С целью увеличения

пропускной способности в 1999 году были разработаны два дополнительных ме-

тода: OFDM и HR-DSSS. Они работают со скоростями 54 Мбит/с и 11 Мбит/с

соответственно. В 2001 году была представлена новая модификация OFDM, ра-

ботающая в другом частотном диапазоне. Сейчас мы изучим вкратце все эти ме-

тоды. Они относятся к физическому уровню, которому была посвящена, вообще

говоря, вся глава 2. Но из-за того, что они так тесно связаны с ЛВС вообще и с

подуровнем MAC стандарта 802.11 в частности, мы обращаемся к ним здесь.

Стандарт 802.11: физический уровень

Все пять рассматриваемых далее методов передачи данных позволяют передать

кадр подуровня MAC с одной станции на другую. Различаются они используе-

мыми технологиями и достижимыми скоростями. Детальное рассмотрение этих

методов выходит за рамки данной книги, мы лишь дадим краткое описание, кото-

рое, возможно, заинтересует читателей и снабдит их необходимыми терминами

для поиска более подробной информации в Интернете или где-то еще.

При передаче в инфракрасном диапазоне (вне диапазона видимого света) ис-

пользуются длины волн 0,85 или 0,95 мкм. Возможны две скорости передачи: 1 и

2 Мбит/с. При 1 Мбит/с используется схема кодирования с группировкой четы-

рех бит в 16-битное кодовое слово, содержащее 15 нулей и 1 единицу. Это так

называемый код Грея. Одно из его свойств заключается в том, что небольшая

ошибка в синхронизации может привести в худшем случае к ошибке в одном би-

те выходной последовательности. При скорости передачи 2 Мбит/с уже 2 бита

кодируются в 4-битное кодовое слово, также имеющее всего одну единицу: 0001,

0010, 0100 или 1000. Сигналы инфракрасного диапазона не проникают сквозь

стены, поэтому соты, расположенные в разных комнатах, очень хорошо изоли-

рованы друг от друга. Однако из-за довольно низкой пропускной способности

(а также потому, что солнечный свет может искажать инфракрасные сигналы)

этот метод не слишком популярен.

В методе FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum — передача широкопо-

лосных сигналов по методу частотных скачков) используются 79 каналов шириной

1 МГц каждый. Диапазон, в котором работает этот метод, начинается с 2,4 ГГц

(это нелицензируемый [ISM] диапазон). Для определения последовательностей

скачков частот используется генератор псевдослучайных чисел. Поскольку при

этом для всех станций используется один и тот же генератор, они синхронизиро-

ваны во времени и одновременно осуществляют одинаковые частотные скачки.

Период времени, в течение которого станция работает на определенной частоте,

называется временем пребывания. Это настраиваемая величина, но она должна

быть не более 400 мс. Рандомизация, осуществляемая в методе FHSS, является

простым способом распределения неуправляемого ISM-диапазона. Кроме того,

постоянная смена частот — это неплохой (хотя, конечно, недостаточный) способ

защиты информации от несанкционированного прослушивания, поскольку не-

званый слушатель, не зная последовательности частотных переходов и времени

пребывания, не сможет подслушать передаваемые данные. При связи на более

длинных дистанциях может возникать проблема многолучевого затухания, и FHSS

может оказаться хорошим подспорьем в борьбе с ней. Этот метод также относи-

тельно слабо чувствителен к интерференции с радиосигналом, что делает его по-

пулярным при связи между зданиями. Главный недостаток FHSS — это низкая

пропускная способность.

Третий метод модуляции называется DSSS (Direct Sequence Spread Spect-

rum — передача широкополосного сигнала по методу прямой последовательно-

сти). Скорости передачи ограничены 1 или 2 Мбит/с. DSSS немного напоминает

уже обсуждавшуюся в разделе «Второе поколение мобильных телефонов: циф-

ровая передача голоса» систему CDMA, однако имеет и некоторые отличия. Ка-

ждый бит передается в виде 11 элементарных сигналов, которые называются по-

следовательностью Баркера. Для этого используется модуляция с фазовым

ЗДвигом со скоростью 1 Мбод (1 бит на бод при работе на 1 Мбит/с и 2 бита на

©од при работе на 2 Мбит/с). В течение нескольких лет комиссия FCC требова-

344 Глава 4. Подуровень управления доступом к среде

Беспроводные локальные сети 345

ла, чтобы все беспроводное оборудование в США работало в нелицензируемых

диапазонах, однако в мае 2002 года это требование было снято, поскольку появи-

лись новые технологии.

Первая высокоскоростная беспроводная ЛВС, 802.11а, использовала метод

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — ортогональное частотное

уплотнение) для передачи сигнала со скоростью до 54 Мбит/с в расширенном

нелицензируемом диапазоне 5 ГГц. Как и полагается при частотном уплотнении,

здесь используются разные частоты. Всего их 52, из них 48 частот предназначе-

ны для данных, 4 — для синхронизации (почти как в ADSL). Одновременная пе-

редача сигналов на разных частотах позволяет говорить о расширенном спектре,

хотя этот метод существенно отличается от CDMA и FHSS. Разделение сигнала

на много узких диапазонов имеет преимущества перед передачей в одном широ-

ком диапазоне — в частности, более низкую чувствительность к узкополосной

интерференции и возможность использования независимых диапазонов. Система

кодирования довольно сложна. Она основана на модуляции с фазовым сдвигом для

скоростей до 18 Мбит/с и на QAM при более высоких скоростях. При 54 Мбит/с

216 бит данных кодируются 288-битными кодовыми словами. Одним из преиму-

ществ OFDM является совместимость с европейской системой HiperLAN/2

(Doufexi и др., 2002). Метод имеет хорошую спектральную эффективность в тер-

минах соотношения бит/герц и хороший иммунитет против многолучевого зату-

хания.

Наконец, мы подошли к методу HR-DSSS (High Rate Direct Sequence Spread

Spectrum — высокоскоростная передача широкополосного сигнала по методу

прямой последовательности). Это еще один широкополосный способ, который

для достижения скорости 11 Мбит/с кодирует биты со скоростью 11 миллионов

элементарных сигналов в секунду. Стандарт называется 802.11b, но он не явля-

ется последователем 802.11а. На самом деле 802.11b был признан и попал на ры-

нок даже раньше, чем 802.11а. Скорости передачи данных, поддерживаемые этим

стандартом, равны 1, 2, 5,5 и 11 Мбит/с. Две низкие скорости требуют 1 Мбод

при 1 и 2 битах на бод соответственно. Используется модуляция с фазовым сдви-

гом (для совместимости с DSSS). Две высокие скорости требуют кодирования со

скоростью 1,375 Мбод при 4 и 8 битах на бод соответственно. Применяется код

Уолша — Адамара. Скорость передачи может быть динамически изменена во

время работы для достижения оптимальных результатов в зависимости от усло-

вий нагрузки и зашумленности линии. На практике скорость работы стандарта

802.11b почти всегда равна 11 Мбит/с. Хотя 802.11b медленнее, чем 802.11а, диа-

пазон первого почти в 7 раз шире, что бывает очень важно во многих ситуациях.

Улучшенная версия 802.11b называется 802.llg. Этот стандарт был принят

IEEE в ноябре 2001 года после долгих обсуждений того, чья же патентованная

технология будет применяться. В итоге в 802.1 lg применяется метод модуляции

OFDM, взятый из 802.11а, однако рабочий диапазон совпадает с 802.11b (узкий

нелицензированный диапазон 2,4 ГГц). Теоретически максимальная скорость

802.1 lg равна 54 Мбит/с. До сих пор не очень понятно, может ли быть достигну-

та такая скорость на практике. Зато, пока суть да дело, комитет 802.11 может

гордо заявить, что он разработал три высокоскоростных стандарта беспроводных

ЛВС: 802.11а, 802.11b и 802.11g (не говоря уж о трех низкоскоростных беспро-

водных ЛВС). Можно вполне обоснованно удивляться тому, что же в этом хоро-

шего. Ну, видимо, три — это просто счастливое число для комитета 802.11.

Стандарт 802.11: протокол подуровня

управления доступом к среде

Однако вернемся из области электротехники в область computer science. Прото-

кол подуровня MAC (напомним, MAC расшифровывается как Medium Access

Control — управление доступом к среде) в стандарте 802.11 довольно сильно от-

личается от аналогичного' протокола Ethernet благодаря присущей беспровод-

ным сетям сложности по сравнению с проводными сетями. В Ethernet станция

просто ожидает, пока в канале настанет тишина, и тогда начинает передачу. Если

шумовой всплеск не приходит обратно в течение времени, необходимого на пере-

сылку 64 байт, то можно утверждать, что кадр почти наверняка доставлен кор-

ректно. В беспроводных сетях такой фокус не проходит.

Во-первых, существует проблема скрытой станции — мы уже упоминали о

ней ранее, а сейчас приводим еще и иллюстрацию (рис. 4.23, а). Поскольку не

все станции могут слышать друг друга, передача, идущая в одной части соты, мо-

жет быть просто не воспринята станцией, находящейся в другой ее части. В при-

веденном на рисунке примере станция С передает данные станции В. Если стан-

ция А прослушает канал, она не обнаружит ничего подозрительного и сделает

ложный вывод о том, что она имеет право начать передачу станции В. Кроме того,

есть и обратная проблема, показанная на рис. 4.23, б. Здесь В хочет отправить дан-

ные для станции С и прослушивает канал. Услышав, что в нем уже осуществляется

какая-то передача, станция В делает опять-таки ложный вывод о том, что передача

для С сейчас невозможна. Между тем станция А — источник сигнала, который

смутил станцию В, — может на самом деле осуществлять передачу для станции

D (на рисунке не показана). Ситуация усугубляется еще и тем, что большинство

радиосистем являются полудуплексными, то есть не могут одновременно и на

одной и той же частоте посылать сигналы и воспринимать всплески шума на ли-

нии. В итоге 802.11 не может использовать, как Ethernet, метод CSMA/CD.

Как бороться с этой проблемой? Стандарт 802.11 поддерживает два режима

работы. Первый называется DCF (Distributed Coordination Function — распреде-

ленная координация) и не имеет никаких средств централизованного управле-

ния (в этом смысле напоминая Ethernet). Второй режим, PCF (Point Coor-

dination Function — сосредоточенная координация), подразумевает, что базовая

станция берет на себя функцию управления активностью всех станций данной

соты. Все реализации стандарта должны поддерживать DCF, тогда как PCF яв-

ляется дополнительной возможностью. Сейчас мы перейдем к рассмотрению

этих режимов.

В режиме DCF 802.11 использует протокол, называемый CSMA/CA (CSMA

with Collision Avoidance — CSMA с предотвращением коллизий). Здесь ведется про-

слушивание как физического, так и виртуального канала. Протокол CSMA/CA

Может работать в двух режимах. В первом режиме станция перед передачей про-

346 Глава 4. Подуровень управления доступом к среде

Беспроводные локальные сети 347

слушивает канал. Если он свободен, начинается пересылка данных. Во время пе-

ресылки канал не прослушивается, и станция передает кадр целиком, причем он

может быть разрушен на стороне приемника из-за интерференции сигналов. Ес-

ли канал занят, отправитель дожидается его освобождения и затем начинает пе-

редачу. Если возникает коллизия, станции, не поделившие между собой канал,

выжидают в течение случайных интервалов времени (используется двоичный

экспоненциальный откат такой же, как в Ethernet) и затем снова пытаются от-

править кадр.

Станция А хочет передать

данные для 8, но не слышит,

что В уже занята

Радиус действия

передатчика С

Станция В хочет передать

данные для С, но ошибочно считает,

что у нее ничего не получится

Радиус действия

передатчика А

а б

Рис. 4.23. Проблема скрытой станции (а); проблема засвеченной станции (б)

Другой режим CSMA/CA основан на протоколе MACAW и использует кон-

троль виртуального канала, как показано на рис. 4.24. В этом примере станция А

хочет передать данные станции В. Станция С находится в зоне действия (то есть

слышит) А, а также, возможно, в зоне действия В, но это не имеет значения.

Станция D входит в зону действия В, но не входит в зону действия А.

: .ста

г \~^ •'•[' '"-'Данные гУ'Уу'/'^-^

АСК

NAV

Время -

Рис. 4.24. Использование прослушивания виртуального канала в протоколе CSMA/CA

Протокол начинает работать тогда, когда А решает, что ей необходимо по-

слать данные В. А посылает станции В кадр RTS, запрашивая разрешение на пе-

редачу. Если В может принять данные, она отсылает обратно положительное

подтверждение, кадр CTS. После приема CTS А запускает таймер АСК и начи-

нает передачу данных. В случае корректного приема В генерирует кадр АСК, сооб-

щающий станции А о конце передачи. Если интервал времени таймера на стан-

ции А истекает прежде, чем получен АСК, весь алгоритм работы протокола

повторяется с самого начала.

Теперь рассмотрим этот же процесс с точки зрения станций С и D. С находит-

ся в зоне действия А, поэтому она также принимает кадр RTS и понимает, что

скоро по каналу будут передаваться какие-то данные и лучше при этом помол-

чать и подождать окончания активности соседних станций. Исходя из информа-

ции, содержащейся в RTS, станция С может предположить, сколько времени

займет передача последовательности, включая конечный АСК. В течение этого

промежутка С считает, что ее виртуальный канал занят и она может отдыхать.

Индикацией такого состояния является последовательность NAV (Network

Allocation Vector - вектор выделенной сети), показанная на рис. 4.24. Станция

D не слышит RTS, посылаемый А, зато слышит CTS, посланный станцией В, и

также выставляет NAV. Обратите внимание: сигналы NAV не передаются, а яв-

ляются лишь внутренними напоминаниями станций о том, что нужно хранить

молчание в течение определенного промежутка времени.

В противоположность проводным каналам, беспроводные шумны и ненадеж-

ны, в какой-то степени из-за СВЧ-печей, работающих в том же диапазоне. В ре-

зультате вероятность корректной передачи кадра уменьшается пропорционально

увеличению длины кадра. Если вероятность ошибки в одном бите равна р, то ве-

роятность того, что и-битный кадр будет принят корректно, равна (1 -р)

. На-

пример, для р= 10"

вероятность корректной передачи полного Ethernet-кадра

длиной 12 144 бит составляет менее 30 %. Если р = 10"

, примерно один кадр из 9

будет испорчен. Даже при р = 10"

более 1 % кадров будет испорчено, то есть за

1 секунду ошибки в кадрах будут возникать примерно 12 раз. Длинные кадры

вообще имеют очень мало шансов дойти до получателя неповрежденными, и их

нужно посылать заново.

Для решения проблемы зашумленных каналов беспроводных сетей применя-

ется разбиение кадров на небольшие отрезки, каждый из которых содержит соб-

ственную контрольную сумму. Фрагменты нумеруются и подтверждаются инди-

видуально с использованием протокола с ожиданием (то есть отправитель не может

передать фрагмент с номером k + i, пока не получит подтверждения о доставке

фрагмента с номером к). Захватив канал с помощью диалога, состоящего из RTS

и CTS, отправитель может передать несколько кадров подряд, как показано на

рис. 4.25. Последовательность фрагментов называется пачкой фрагментов.

^Фрагментация повышает производительность путем принудительной повтор-

ной пересылки коротких отрезков кадров, в которых произошла ошибка, а не

кадров целиком. Размер фрагмента не закрепляется стандартом, а является на-

страиваемым параметром каждой ячейки беспроводной сети и может оптимизи-

роваться базовой станцией. Механизм выставления NAV удерживает станции от

передачи только до прихода первого подтверждения о доставке. Но есть и другой

348 Глава 4. Подуровень управления доступом к среде

Беспроводные локальные сети 349

механизм (он описан далее), позволяющий получателю принять всю пачку фраг-

ментов без интерференции с сигналами сторонних станций.

Пачка фрагментов

RTS

Фрагмент 3:

: CTS

с '

NAV

ACK

ACK> j ACK

Время

Рис. 4.25. Пачка фрагментов

Итак, все описанное ранее относится к режиму DCF (режим распределенной

координации) стандарта 802.11. В данном режиме отсутствует централизован-

ный контроль, и станции самостоятельно борются за эфирное время примерно

так же, как в Ethernet. Но беспроводные сети могут работать и в другом режиме,

который называется PCF (режим сосредоточенной координации). Здесь базовая

станция опрашивает все подчиненные ей станции, выявляя те из них, которые

требуют предоставить им канал. Порядок «выступлений» полностью и центра-

лизованно координируется базовой станцией, поэтому коллизии в режиме PCF

исключены. Стандарт лишь предписывает осуществлять такую координацию, но

не дает конкретных указаний, касающихся частоты, порядка опросов или нали-

чия либо отсутствия каких-либо приоритетов у отдельных станций.

Механизм основан на том, что базовая станция широковещательным спосо-

бом периодически (10-100 раз в секунду) передает сигнальный кадр. В нем со-

держатся такие системные параметры, как последовательности смены частот и

периоды пребывания на частотах (для FHSS), данные для синхронизации и т. д.

Он также является приглашением для новых станций, которые желают войти в

список опрашиваемых станций. Попав в этот список, станция получает гаранти-

рованную долю пропускной способности (при определенных параметрах скоро-

сти), то есть ей гарантируется качество обслуживания.

Аккумуляторы имеют свойство разряжаться, поэтому в беспроводных сетях

экономия электроэнергии — это очень животрепещущий вопрос. В частности,

базовая станция может приказать станции идти спать (то есть перейти в режим

пониженного потребления) до тех пор, пока ее не разбудят (базовая станция или

пользователь). Однако даже в таком «сонном» режиме станция должна иметь

возможность сохранять в буфере приходящие кадры для последующей их обра-

ботки.

Режимы PCF и DCF могут сосуществовать даже внутри одной соты сети. По-

началу это может показаться нереальным: как это так — сосредоточенный и рас-

пределенный контроль одновременно? Однако стандарт 802.11 действительно

предлагает такую возможность. Это делается путем очень аккуратного определе-

ния межкадрового интервала. После отправки кадра необходимо какое-то время

простоя, прежде чем какая-либо станция получит разрешение послать кадр. Все-

го определено четыре интервала, каждый из которых имеет собственное предна-

значение. Они изображены на рис. 4.26.

Служебный кадр следующего фрагмента

АСК

-SIFS-*~

, Кадры PCM

• PIFS—

-DIFS-

Кадры DCM

-EIFS-

Восстановление испорченных

кадров

Время

Рис. 4.26. Межкадровые интервалы в стандарте 802.11

Самый короткий интервал — это SIFS (Short InterFrame Interval — короткий

межкадровый интервал). Он используется для того, чтобы одна из сторон, веду-

щих диалог с помощью управляющих кадров, могла получить шанс начать пер-

вой. Здесь может быть CTS, посылаемый приемником в ответ на запрос RTS;

АСК, посылаемый им же после окончания приема фрагмента или целого кадра;

очередная часть пакета фрагментов, посылаемая отправителем (то есть он не по-

сылает RTS после каждого фрагмента).

После интервала SIFS ответить может всегда только одна станция. Если она

упускает свой шанс и время PIFS (PCF InterFrame Spacing — межкадровый ин-

тервал PCF) истекает, то базовая станция может послать сигнальный кадр или

кадр опроса. Этот механизм позволяет станции, посылающей кадр данных или

последовательность фрагментов, закончить свою передачу без какого-либо вме-

шательства со стороны соседей, но дает и базовой станции возможность после

окончания передачи станцией захватить канал, не борясь за него с другими же-

лающими.

Если базовой станции нечего сказать и интервал DIFS (DCF InterFrame Spac-

Hig — межкадровый интервал DCF) истекает, то любая станция может попытать-

ся захватить канал. Применяются при этом обычные правила борьбы, включая

Двоичный экспоненциальный откат в случае коллизии.

; Последний временной интервал называется EIFS (Extended InterFrame Spac-

Щ — расширенный межкадровый интервал). Он используется только той стан-

й которая только что получила испорченный или неопознанный кадр и хо-

сообщить об этом факте. Почему наиболее низкий приоритет отдан именно

й*Гому событию? Дело в том, что приемник может сразу не сообразить, что про-

350 Глава 4. Подуровень управления доступом к среде

исходит, и ему нужно выждать в течение какого-то интервала, чтобы не прервать

своим возмущенным возгласом идущий в это время диалог между станциями.

Стандарт 802.11: структура кадра

Стандарт 802.11 определяет три класса кадров, передаваемых по каналу: инфор-

мационные, служебные и управляющие. Все они имеют заголовки с множеством

полей, используемых подуровнем MAC. Кроме того, есть поля, используемые

физическим уровнем, но они в основном относятся к методам модуляции, поэто-

му здесь мы их рассматривать не будем.

Формат информационного кадра показан на рис. 4.27. Вначале идет поле

Управление кадром (Frame Control). Оно содержит 11 вложенных полей. Первое

из них — Версия протокола, именно оно позволяет двум протоколам работать од-

новременно в одной ячейке сети. Затем следуют поля Тип (информационный,

служебный или управляющий) и Подтип (например, RTS или CTS). Биты К DS

и От DS говорят о направлении движения кадра: к межсотовой системе распре-

деления (например, Ethernet) или от нее. Бит MF говорит о том, что далее следу-

ет еще один фрагмент. Бит Повтор маркирует повторно посылаемый фрагмент.

Бит Управление питанием используется базовой станцией для переключения

станции в режим пониженного потребления или выхода из этого режима. Бит

Продолжение говорит о том, что вообще-то у отправителя имеются еще кадры

для пересылки. Бит W является индикатором использования шифрования в теле

кадра по алгоритму WEP (Wired Equivalent Protocol — протокол обеспечения

конфиденциальности). Наконец, О говорит приемнику о том, что кадры с этим

битом должны обрабатываться строго по порядку.

Беспроводные локальные сети 351

Байты

Управление

кадром

Длительность

Адрес 1

Адрес 2

Адрес 3

Номер

Адрес 4

0-231:

Данные

и.

Контрольная

сумма

Биты

2 2 4 1 1 1 1 1 """ -^ _1 1

Версия

Тип

Подтип

От

Повтор

Питание

Продолжительность

W О

Управление

кадром

Рис. 4.27. Информационный кадр стандарта 802.11

Второе основное поле информационного кадра — это поле Длительность.

В нем задается время, которое будет потрачено на передачу кадра и подтвержде-

ния. Это поле можно найти и в служебных кадрах, и именно в соответствии с

ним станции выставляют признаки NAV. Заголовок кадра содержит также четы-

ре адреса в формате, соответствующем стандарту IEEE 802. Понятно, что нужны

адреса отправителя и получателя, но что же содержится в двух оставшихся? Де-

ло в том, что кадры могут входить в ячейку или покидать ее через базовую стан-

цию. Два адреса как раз и хранят адреса исходной и целевой ячеек при передаче

трафика между ячейками.

Поле Номер позволяет нумеровать фрагменты. Из 16 доступных бит 12 иден-

тифицируют кадр, а 4 — фрагмент. Поле Данные содержит передаваемую по ка-

налу информацию, его длина может достигать 2312 байт. В конце, как обычно,

расположено поле Контрольная сумма.

Управляющие кадры имеют формат, сходный с форматом информационных

кадров, за одним исключением: в управляющем кадре отсутствуют поля базовых

станций, поскольку таким кадрам незачем выходить за пределы соты. Служеб-

ные кадры гораздо короче: в них содержится один или два адреса, отсутствуют

поля Данные и Номер. Ключевой здесь является информация, содержащаяся

в поле Подтип. Значениями обычно являются RTS, CTS или АСК.

Сервисы

Стандарт 802.11 утверждает, что все совместимые беспроводные ЛВС должны

предоставлять девять типов сервисов (услуг). Их можно разделить на две катего-

рии: сервисы распределения (к ним относятся пять из девяти) и станционные

(соответственно, четыре сервиса). Сервисы распределения связаны с управлени-

ем станциями, находящимися в данной соте, и взаимодействием с внешними

станциями. Станционные сервисы, наоборот, имеют отношение к управлению ак-

тивностью внутри одной соты.

Пять сервисов распределения предоставляются базовой станцией и имеют де-

ло с мобильностью станций при их входе в соту или выходе из нее. При этом

станции устанавливают либо разрывают взаимодействие с базовой станцией.

Ниже перечислены сервисы распределения.

1. Ассоциация. Этот сервис используется мобильными станциями для подключе-

ния к базовым станциям (БС). Обычно он применяется сразу же после вхож-

дения в зону действия БС. Мобильная станция передает идентификационную

информацию и сообщает о своих возможностях (поддерживаемой скорости

передачи данных, необходимости PCF-услуг, или опроса) и требованиях по

управлению электропитанием. Базовая станция может принять или отверг-

нуть мобильную станцию. Если последняя принята, она должна пройти иден-

тификацию.

2. Дизассоциация. По инициативе мобильной или базовой станции может быть

произведена дизассоциация, то есть разрыв отношений. Это требуется при

выключении станции или ее уходе из зоны действия БС. Впрочем, базовая

станция также может быть инициатором дизассоциации, если, например, она

временно выключается для проведения технического обслуживания.

3. Реассоциация. С помощью этого сервиса станция может сменить БС. Оче-

видно, данная услуга используется при перемещении станции из одной соты

в другую. Если она проходит корректно и без сбоев, то при переходе никакие

данные не теряются. (Однако, как и в сети Ethernet, в стандарте 802.11 все ус-

луги предоставляются лишь с обязательством приложения максимальных

усилий к их исполнению, но не с гарантией.)

4. Распределение. С помощью этой услуги определяется маршрутизация кад-

ров, посылаемых базовой станции. Если адрес назначения является локаль-

352 Глава 4. Подуровень управления доступом к среде

Широкополосные беспроводные сети 353

ным с точки зрения БС, то кадры следуют просто напрямую (передаются в

эфире). В противном случае их необходимо пересылать по проводной сети.

5. Интеграция. Если кадру нужно пройти через сеть, не подчиняющуюся стан-

дарту 802.11 и использующую другую схему адресации и/или формат кадра,

то на помощь приходит данный сервис. Он реализует трансляцию форматов.

Оставшиеся четыре сервиса — это внутренние услуги соты. Они предоставля-

ются после прохождения ассоциации, описанной выше. Ниже перечислены стан-

ционные сервисы:

1. Идентификация. Поскольку беспроводные коммуникации подразумевают

очень легкое подключение к сети и возможность приема/отправки данных

любыми станциями, попавшими в зону действия БС, то возникает необходи-

мость идентификации. Только после идентификации станции разрешается

обмен данными. После принятия мобильной станции в ряды текущих абонен-

тов соты базовая станция посылает специальный кадр запроса, позволяющий

понять, знает ли станция присвоенный ей секретный ключ (пароль). Под-

тверждение осуществляется путем шифрования кадра запроса и отсылки его

назад базовой станции. Если шифрование выполнено корректно, мобильная

станция получает нормальные права доступа к сети. Изначально стандарт не

требует, чтобы базовая станция отправляла свои идентификационные данные

мобильной станции, но работа над исправлением этого упущения уже ведет-

ся.

2. Деидентификация. Если станция, работавшая в сети, покидает ее, она долж-

на произвести деидентификацию. После выполнения данного сервиса она

больше не сможет использовать ячейку.

3. Конфиденциальность. Чтобы сохранить передаваемые по сети данные в тай-

не от посторонних «ушей», их необходимо шифровать. Данный сервис осуще-

ствляет операции по шифрации и дешифрации информации. Применяется

алгоритм RC4, изобретенный Рональдом Ривестом (Ronald Rivest) из M.I.Т.

4. Доставка данных. Собственно говоря, именно этот сервис является ключе-

вым во всей работе сети. Ведь сеть 802.11 существует для обмена данными.

Поскольку стандарт 802.11 основан на стандарте Ethernet, а в последнем до-

ставка данных не является гарантированной на 100 %, то для беспроводных

сетей это тем более верно. Обнаруживать и исправлять ошибки поручено

верхним уровням.

У ячейки 802.11 имеются некоторые параметры, которые проверяются и ино-

гда случаях настраиваются. Они относятся к шифрованию данных, интервалам

тайм-аутов, скоростям передачи данных, частотам сигналов и т. д.

Беспроводные сети на основе стандарта 802.11 все шире применяются в учреж-

дениях, аэропортах, гостиницах, ресторанах, а также на производственных тер-

риториях и в университетских кампусах по всему миру. Быстрый рост этих се-

тей уже практически неизбежен. Рекомендую изучить книгу (Hills, 2001) —

в ней описано, как сеть 802.11 развертывалась в университете Карнеги — Мел-

лона.

Широкополосные беспроводные сети

Что-то мы засиделись в помещении. Выйдем на улицу и посмотрим — может

быть, там тоже есть какие-нибудь интересные сети? А там действительно что-то

есть, и в основном мы увидим то, что называется «последней милей». Во многих

странах телефонная система в какой-то момент перестала быть жестко управляе-

мой, и появилось множество фирм, предлагающих локальные услуги голосовой

связи и интернет-услуги.

Предложений действительно много. Проблема только в том, что прокладка

волоконно-оптического кабеля, коаксиала или даже витой пары пятой категории

к миллионам абонентов обходится очень дорого. Что же делать?

Ответ одновременно и прост, и сложен. Нужны широкополосные беспровод-

ные сети. Установить одну большую антенну на горке где-нибудь рядом с насе-

ленным пунктом и расставить на крышах домов абонентов приемные антенны

горадо проще и дешевле, чем рыть траншеи и протягивать кабель. Таким обра-

зом, конкурирующие операторы связи оказались крайне заинтересованы в раз-

витии многомегабитных беспроводных систем связи, реализующих услуги голо-

совой коммуникации, доступа к Интернету, видео по заказу и т. д. Как было

продемонстрировано на рис. 2.27, очень неплохо с задачей справляется система

LMDS. Однако еще до недавних пор каждый оператор стремился использовать

ивою собственную систему. Отсутствие стандартов означало, что аппаратное и

программное обеспечение не могли быть запущены в массовое производство.

Это, в свою очередь, приводило к установке неоправданно высоких цен при низ-

кой популярности.

Наконец светлые головы, работающие в данной отрасли, поняли, что именно

стандартизация широкополосных беспроводных сетей является главным камнем

преткновения. По традиции, сформировать комитет для разработки стандарта

было поручено IEEE. В комитет 802.16 вошли представители крупнейших фирм

и научных организаций. Работа была начата в июле 1999 года, а официальный

результат был представлен в апреле 2002 года. Название стандарта таково:

^Эфирный интерфейс стационарных широкополосных беспроводных систем

доступа». Тем не менее, большинство предпочитает использовать более короткое

название: беспроводные региональные сети, или беспроводные местные линии.

Мы считаем, что все эти названия равноценны и взаимозаменяемы.

- Подобно некоторым другим стандартам из серии 802, стандарт 802.16 постро-

ен с использованием идей модели OSI. Здесь можно найти и уровни, и подуров-

ни, используется схожая терминология, сервисные примитивы и т. п. К сожале-

нию, как и OSI, стандарт 802.16 страдает громоздкостью. В последующих

разделах мы приведем краткое описание основных его свойств, но такое исследо-

вание является далеко не полным, в нем опущены многие детали. Дополнитель-

ную общую информацию о широкополосных беспроводных сетях вы найдете в

(Bolcskei и др., 2001; Webb, 2001). Информацию о конкретном стандарте 802.16

Можно найти в (Eklund и др., 2002).