Распределенный режим доступа DCF

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

Режим доступа DCF требует синхронизации станций. В спецификации 802.11 эта проблема решается достаточно элегантно - временные интервалы начинают отсчитываться от момента окончания передачи очередного кадра (рис. 2). Это не требует передачи каких-либо специальных синхронизирующих сигналов и не ограничивает размер пакета размером слота, так как слоты принимаются во внимание только при принятии решения о начале передачи кадра.

Станция, которая хочет передать кадр, обязана предварительно прослушать среду. Стандарт IEEE 802.11 предусматривает два механизма контроля активности в канале (обнаружения несущей): физический и виртуальный. Первый механизм реализован на физическом уровне и сводится к определению уровня сигнала в антенне и сравнению его с пороговой величиной. Виртуальный механизм обнаружения несущей основан на том, что в передаваемых кадрах данных, а также в управляющих кадрах АСК и RTS / CTS содержится информация о времени, необходимом для передачи пакета (или группы пакетов) и получения подтверждения. Все устройства сети получают информацию о текущей передаче и могут определить, сколько времени канал будет занят, т.е. устройство при установлении связи сообщает всем, на какое время оно резервирует канал. Как только станция фиксирует окончание передачи кадра, она обязана отсчитать интервал времени, равный межкадровому интервалу (IFS). Если после истечения IFS среда все еще свободна, начинается отсчет слотов фиксированной длительности. Кадр можно передавать только в начале какого-либо из слотов при условии, что среда свободна. Станция выбирает для передачи слот на основании усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки, аналогичного используемому в методе CSMA /CD. Номер слота выбирается как случайное целое число, равномерно распределенное в интервале [0, CW], где "CW" означает "Competition Window" (конкурентное окно).

Рис. 2. Режим доступа DCF

Рассмотрим этот довольно непростой метод доступа на примере рисунка 2. Пусть станция А выбрала для передачи на основании усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки слот 3. При этом она присваивает таймеру отсрочки (назначение которого будет ясно из дальнейшего описания) значение 3 и начинает проверять состояние среды в начале каждого слота. Если среда свободна, то из значения таймера отсрочки вычитается 1, и если результат равен нулю, начинается передача кадра.

Таким образом, обеспечивается условие незанятости всех слотов, включая выбранный. Это условие является необходимым для начала передачи.

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

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

Коллизия может иметь место только в том случае, когда несколько станций выбирают один и тот же слот для передачи.

В этом случае кадры искажаются, и квитанции от станций назначения не приходят. Не получив в течение определенного времени квитанцию, отправители фиксируют факт коллизии и пытаются передать свои кадры снова. При каждой повторной неудачной попытке передачи кадра интервал [0, CW], из которого выбирается номер слота, удваивается. Если, например, начальный размер окна выбран равным 8 (то есть CW = 7), то после первой коллизии размер окна должен быть равен 16 (CW = 15), после второй последовательной коллизии - 32 и т. д. Начальное значение CW, в соответствии со стандартом 802.11, должно выбираться в зависимости от типа физического уровня, используемого в беспроводной локальной сети.

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

В беспроводных сетях возможна ситуация, когда два устройства (А и В) удалены и не слышат друг друга, однако оба попадают в зону охвата третьего устройства С (рис. 3) - так называемая проблема скрытого терминала. Если оба устройства А и В начнут передачу, то они принципиально не смогут обнаружить конфликтную ситуацию и определить, почему пакеты не проходят.

Рис. 3. Проблема скрытого терминала

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

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

При помехах иногда случается, что теряются большие фреймы данных, поэтому можно уменьшить длину этих фреймов путем фрагментации. Фрагментация фрейма - это выполняемая на уровне MAC функция, назначение которой - повысить надежность передачи фреймов через беспроводную среду. Под фрагментацией понимается дробление фрейма на меньшие фрагменты и передача каждого из них отдельно (рис. 4).

Предполагается, что вероятность успешной передачи меньшего фрагмента через зашумленную беспроводную среду выше. Получение каждого фрагмента фрейма подтверждается отдельно; следовательно, если какой-нибудь фрагмент фрейма будет передан с ошибкой или вступит в коллизию, передавать повторно придется только его, а не весь фрейм. Это увеличивает пропускную способность среды.

Рис. 4. Фрагментация фрейма

Размер фрагмента может задавать администратор сети. Фрагментации подвергаются только одноадресные фреймы. Широковещательные, или многоадресные, фреймы передаются целиком. Кроме того, фрагменты фрейма передаются пакетом, с использованием только одной итерации механизма доступа к среде DCF.

Хотя за счет фрагментации можно повысить надежность передачи фреймов в беспроводных локальных сетях, она приводит к увеличению "накладных расходов" МАС-протокола стандарта 802.11. Каждый фрагмент фрейма включает информацию, содержащуюся в заголовке 802.11 MAC, а также требует передачи соответствующего фрейма подтверждения. Это увеличивает число служебных сигналов МАС-протокола и снижает реальную производительность беспроводной станции. Фрагментация - это баланс между надежностью и непроизводительной загрузкой среды.

2) Централизованный режим доступа PCF

В том случае, когда в сети имеется станция, выполняющая функции точки доступа, может также применяться централизованный режим доступа PCF, обеспечивающий приоритетное обслуживание трафика. В этом случае говорят, что точка доступа играет роль арбитра среды.

Режим доступа PCF в сетях 802.11 сосуществует с режимом DCF. Оба режима координируются с помощью трех типов межкадровых интервалов (рис. 5).

Рис. 5. Сосуществование режимов PCF и DCF

После освобождения среды каждая станция отсчитывает время простоя среды, сравнивая его с тремя значениями:

короткий межкадровый интервал (Short IFS - SIFS);

межкадровый интервал режима PCF (PIFS);

межкадровый интервал режима DCF (DIFS).

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

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

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

На управляемом интервале реализуется централизованный метод доступа PCF. Арбитр выполняет процедуру опроса, чтобы по очереди предоставить каждой такой станции право на использование среды, направляя ей специальный кадр. Станция, получив такой кадр, может ответить другим кадром, который подтверждает прием специального кадра и одновременно передает данные (либо по адресу арбитра для транзитной передачи, либо непосредственно станции).

Для того чтобы какая-то доля среды всегда доставалась асинхронному трафику, длительность контролируемого периода ограничена. После его окончания арбитр передает соответствующий кадр и начинается неконтролируемый период.

Каждая станция может работать в режиме PCF, для этого она должна подписаться на данную услугу при присоединении к сети.

Кадр МАС-подуровня

На рис. 6 изображен формат кадра 802.11. Приведенная общая структура применяется для всех информационных и управляющих кадров, хотя не все поля используются во всех случаях.

Рис. 6. Формат кадра MAC IEEE 802.11

Перечислим поля общего кадра:

Управление кадром. Указывается тип кадра и предоставляется управляющая информация (объясняется ниже).

Идентификатор длительности/соединения. Если используется поле длительности, указывается время (в микросекундах), на которое требуется выделить канал для успешной передачи кадра MAC. В некоторых кадрах управления в этом поле указывается идентификатор ассоциации или соединения.

Адреса. Число и значение полей адреса зависит от контекста. Возможны следующие типы адреса: источника, назначения, передающей станции, принимающей станции.

Управление очередностью. Содержит 4-битовое подполе номера фрагмента, используемое для фрагментации и повторной сборки, и 12-битовый порядковый номер, используемый для нумерации кадров, передаваемых между приемником и передатчиком.

Тело кадра. Содержит модуль данных протокола LLC или управляющую информацию MAC.

Контрольная последовательность кадр а. 32-битовая проверка четности с избыточностью.

Поле управления кадром, показанное на рис., состоит из следующих полей:

Версия протокола. Версия 802.11, текущая версия - 0.

Тип. Определим тип кадра: контроль, управление или данные.

Подтип. Дальнейшая идентификация функций кадра. Разрешенные сочетания типов и подтипов перечислены в таблице.1.

Таблица 1. Разрешенные комбинации типа и подтипа

К DS. Координационная функция MAC присваивает этому биту значение 1, если кадр предназначен распределительной системе.

От DS. Координационная функция MAC присваивает этому биту значение 0, если кадр исходит от распределительной системы.

Больше фрагментов. 1, если за данным фрагментом следует еще несколько.

Повтор. 1, если данный кадр является повторной передачей предыдущего.

Управление мощностью. 1, если передающая станция находится в режиме ожидания.

Больше данных. Указывает, что станция передала не все данные. Каждый блок данных может передаваться как один кадр или как группа фрагментов в нескольких кадрах.

WEP. 1, если реализован алгоритм конфиденциальности проводного эквивалента (Wired Equivalent Privacy - WEP). Протокол WEP используется для обмена ключами шифрования при безопасном обмене данными.

Порядок. 1, если используется услуга строгого упорядочения, указывающая адресату, что кадры должны обрабатываться строго по порядку.

Рис. 7. Поле управления кадром

Стандарт 802.11

В 1997 г. была принята первая спецификация Wi-Fi — 802.11. В стандарте 802.11 регламентируется работа оборудования на центральной частоте 2,4 ГГц с максимальной скоростью до 2 Мбит/с. В базовом варианте стандарта 802.11 используется метод расширения спектра Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS). Опционно может применяться также метод Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS).

Для модуляции сигнала используется технология Gaussian Frequency Shift Keying. Как правило, когда задействован метод FHSS, полоса делится на 79 каналов по 1 МГц (хотя встречается оборудование и с другим способом разбиения частотного диапазона). Отправитель и получатель согласовывают схему переключения каналов, и данные посылаются последовательно по различным каналам с использованием выбранной схемы.

Следует особо подчеркнуть, что в стандартах 802.11ххх регламентируется архитектура сети и самих устройств, описываются основные семь уровней модели и протоколы их взаимодействия. Стандарт задает базовую частоту, а также методы модуляции и расширения спектра на физическом уровне. Так, например, в стандарте 802.11 заданы центральная частота 2,4 ГГц и метод модуляции FHSS PHY. Кроме того, первоначальный вариант стандарта 802.11 описывал передачу данных в инфракрасном диапазоне. Полоса частот и подчастоты для устройств стандарта 802.11 выделяются и регламентируются в каждой конкретной стране уполномоченным на то правительственным органом. Также местным законодательством регламентируются правила эксплуатации самих устройств, их мощность, разбиение частотного диапазона, мощности передатчика и другие характерные особенности. В нашей стране таким органом является Министерство связи и массовых коммуникаций Российской Федерации. В последнем нормативном документе этого министерства прописано, что в РФ разрешена эксплуатация всех вариантов стандартов 802.11 (a, b, g, n) на всех базовых частотах [5]. Основные параметры стандарта 802.11 в соответствии с действующими нормативными документами РФ приведены в таблице 2 [5].

Таблица 2. Основные параметры стандарта IEEE 802.11 (в соответствии с действующими нормативами РФ)

Различные стандарты семейства IEEE 802 строго регламентируют два нижних уровня модели OSI — физический и канальный, которые характеризуют особенности конкретных локальных сетей. Верхние уровни совпадают по своей структуре как для беспроводных, так и для проводных локальных сетей. Как и все стандарты этого семейства, Fi-Wi 802.11 работает на нижних двух уровнях модели ISO/OSI, физическом и канальном (рис. 1) [6]. Поэтому сетевые приложения и сетевые протоколы, которые работают в сети Ethernet (стандарт 802.3), такие, например, как TCP/IP, могут аналогичным образом использоваться и в Wi-Fi-сетях 802.11. Иными словами, если есть некий Ethernet-роутер с несколькими входами, то для сети безразлично, будет ли к нему подключено проводное устройство стандарта 802.3 или беспроводное Wi-Fi-устройство стандарта 802.11: все периферийные устройства будут видеть друг друга и правильно взаимодействовать.

Рисунок 8. Структурная схема.