Из семи уровней модели OSI (Open System Interconnect) спецификация 802.11 регламентировала два уровня сети - физический (PHY) и управления доступом к среде передачи данных (MAC, Media Access Control), т. е. нижний подуровень канального уровня. На физическом уровне определяются методы модуляции и характеристики сигналов для передачи данных. В стандарт заложены различные методы передачи в радиочастотном диапазоне волн, а также один в инфракрасном.
Канальный уровень 802.11 состоит из двух подуровней: управления логической связью (Logical Link Control, LLC) и управления доступом к носителю (Media Access Control, MAC). 802.11 использует тот же LLC и 48-битовую адресацию, что и другие сети 802, что позволяет легко объединять беспроводные и проводные сети, однако MAC уровень имеет кардинальные отличия. В стандарте 802.11 он называется методом доступа к беспроводной среде передачи с распределенной базой (Distributed Foundation Wireless MAC, DFWMAC).
| IEEE 802.11 | IEEE 802.11b | IEEE 802.11a | IEEE 802.11g | |
| Максимальная скорость | 2 Мбит/с | 11 Мбит/с | 54 Мбит/с | 54 Мбит/с |
| Частотный диапазон | 2.4 ГГц | 2.4 ГГц | 5 ГГц | 2.4 ГГц |
| Модуляция | FHSS, DSSS | DSSS+CCK | OFDM | OFDM, DSSS+CCK |
MAC уровень 802.11 похож на реализованный в 802.3, где он поддерживает множество пользователей на общем носителе, когда пользователь проверяет носитель перед доступом к нему. Для Ethernet сетей 802.3 используется протокол Carrier Sence Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD), который определяет, как станции Ethernet получают доступ к проводной линии, и как они обнаруживают и обрабатывают коллизии, возникающие в том случае, если несколько устройств пытаются одновременно установить связь по сети. Чтобы обнаружить коллизию, станция должна обладать способностью и принимать, и передавать одновременно. Стандарт 802.11 предусматривает использование полудуплексных приемопередатчиков, поэтому в беспроводных сетях 802.11 станция не может обнаружить коллизию во время передачи.
Чтобы учесть это отличие, 802.11 использует модифицированный протокол, известный как Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), или Distributed Coordination Function (DCF). CSMA/CA пытается избежать коллизий путем использования явного подтверждения пакета (ACK), что означает, что принимающая станция посылает ACK пакет для подтверждения того, что пакет получен неповрежденным. Стандарт также включает альтернативный метод доступа, известный как точечная координационная функция (Point Coordination Function, PCF). Этот метод предусматривает опрос станций и использование центрального координатора для определения того, какая из станций имеет право на передачу.
В случае DCF, прежде чем начинать передачу, станция слушает эфир. Если она не зафиксирует сигнал другой станции в течение промежутка времени, превышающего межкадровый промежуток DCF (Distributed InterFrame Space, DIFS), то она приступает к передаче. Если эфир оказывается занят, то она откладывает свою передачу до окончания текущей передачи, выбирает случайный интервал времени (так называемый интервал отката) и инициализирует таймер отката. Таймер отката уменьшается, только когда эфир свободен, и замораживается, когда он занят. После освобождения эфира уменьшение таймера возобновляется, только если среда остается свободной в течение по крайней мере DIFS. При обнулении таймера станция может начинать передачу.
Успешный прием каждого кадра данных немедленно удостоверяется посылкой положительного подтверждения (оно должно быть явным, так как передающая сторона никак не может определить успешность приема данных другой стороной на основании прослушивания своей собственной передачи). Принимающая станция передает кадр с подтверждением приема после получения кадра по истечении так называемого короткого межкадрового интервала времени (Short InterFrame Space, SIFS), который короче, чем DIFS. При отправке подтверждения принимающая сторона не прибегает предварительно к прослушиванию эфира. При неполучении подтверждения передающая сторона повторяет передачу кадра.
DCF предусматривает также альтернативный метод передачи кадров с предварительным обменом специальными короткими кадрами с запросом и ответом по поводу возможности передачи - RTS (Request To Send) и CTS (Clear To Send). Обмен RTS и CTS не является необходимым, но сама возможность обмена должна быть реализована в обязательном порядке. Обмен RTS и CTS позволяет зарезервировать канал на время, необходимое для передачи кадра данных. Кадр RTS содержит адреса отправителя и получателя, а также планируемое время передачи, а кадр CTS копирует информацию о длительности передачи (рис. 3.1.1). Правила передачи кадра RTS те же, что и для кадра с данными при вышеописанном базовом доступе. После приема кадра RTS получатель отправляет кадр CTS через время SIFS (таким образом он подтверждает успешный прием). После обмена RTS и CTS передатчик может посылать данные по истечении времени SIFS. В случае, если кадр CTS не будет получен через предопределенный интервал времени, попытка передачи RTS повторяется в соответствии с вышеприведенными общими правилами отката.
|
|
| Рис. 3.1.1. Служебные кадры 802.11 |
Поле длительности передачи в кадре RTS (и соответственно CTS) содержит выраженное в микросекундах время передачи информационного кадра плюс кадра CTS, длительности трех SIFS и подтверждения приема. Все станции, что слышат RTS, CTS или оба кадра, извлекают из них информацию о длительности планируемой передачи и помещают ее в вектор резервирования сети (Net Allocation Vector, NAV). Станция не может начать передачу, если таймер NAV не равен нулю. Использование NAV для определения статуса канала "занято/свободно" называется "механизм обнаружения виртуальной несущей".
Обмен короткими кадрами RTS и CTS позволяет снизить вероятность коллизий. Все станции должны воздерживаться от передачи, если они слышат RTS или CTS.
Специфичная проблема MAC-уровня - это проблема "скрытой точки", когда две станции могут обе "слышать" точку доступа (или какую-либо принимающую станцию), но не могут "слышать" друг друга, в силу большого расстояния или преград (рис. 3.1.2). Для решения этой проблемы в 802.11 на MAC уровне и добавлен необязательный протокол RTS/CTS. Так как все станции в сети могут "слышать" точку доступа, сигнал CTS заставляет их отложить свои передачи, что позволяет передающей станции передать данные и получить ACK пакет без возможности коллизий. Так как RTS/CTS добавляет дополнительные накладные расходы на сеть, временно резервируя носитель, он обычно используется только для пакетов очень большого объема, для которых повторная передача была бы слишком дорогостоящей.
|
| Рис. 3.1.2. Проблема "скрытой точки". |
MAC уровень 802.11 предоставляет возможность расчета CRC и фрагментации пакетов. Каждый пакет имеет свою контрольную сумму CRC, которая рассчитывается и прикрепляется к пакету. Здесь наблюдается отличие от сетей Ethernet, в которых обработкой ошибок занимаются протоколы более высокого уровня (например, TCP). Фрагментация пакетов позволяет разбивать большие пакеты на более маленькие при передаче по радиоканалу, что полезно в очень "заселенных" средах или в тех случаях, когда существуют значительные помехи, так как у меньших пакетов меньше шансы быть поврежденными. Этот метод в большинстве случаев уменьшает необходимость повторной передачи и, таким образом, увеличивает производительность всей беспроводной сети. MAC уровень ответственен за сборку полученных фрагментов, делая этот процесс "прозрачным" для протоколов более высокого уровня.
Подключение к сети
MAC уровень 802.11 несет ответственность за то, каким образом клиент подключается к точке доступа.
Когда клиент 802.11 попадает в зону действия одной или нескольких точек доступа, он на основе мощности
сигнала и наблюдаемого значения количества ошибок выбирает одну из них и подключается к ней. Как только
клиент получает подтверждение того, что он принят точкой доступа, он настраивается на радиоканал,
в котором она работает. Время от времени он проверяет все каналы 802.11, чтобы посмотреть,
не предоставляет ли другая точка доступа службы более высокого качества. Если такая точка доступа
находится, то станция подключается к ней, перенастраиваясь на ее частоту.
Переподключение обычно происходит в том случае, если станция была физически перемещена вдаль от точки доступа, что вызвало ослабление сигнала. В других случаях повторное подключение происходит из-за изменения радиочастотных характеристик здания, или просто из-за большого сетевого трафика через первоначальную точку доступа. В последнем случае эта функция протокола известна как "балансировка нагрузки", так как ее главное назначение - распределение общей нагрузки на беспроводную сеть наиболее эффективно по всей доступной инфраструктуре сети.
Процесс динамического подключения и переподключения позволяет сетевым администраторам устанавливать беспроводные сети с очень широким покрытием, создавая частично перекрывающиеся "соты". Идеальным вариантом является такой, при котором соседние перекрывающиеся точки доступа будут использовать разные DSSS каналы, чтобы не создавать помех в работе друг другу.
Управление питанием
Дополнительно по отношению к управлению доступом к носителю, MAC уровень 802.11 поддерживает
энергосберегающие режимы для продления срока службы батарей мобильных устройств. Стандарт поддерживает
два режима потребления энергии, называемые "режим продолжительной работы" и "сберегающий режим".
В первом случае радио всегда находится во включенном состоянии, в то время как во втором случае радио
периодически включается через определенные промежутки времени для приема "маячковых" сигналов, которые
постоянно посылает точка доступа. Эти сигналы включают в себя информацию относительно того, какая
станция должна принять данные. Таким образом, клиент может принять маячковый сигнал, принять данные,
а затем вновь перейти в "спящий" режим.
На физическом уровне определены несколько широкополосных радиочастотных метода передачи и один - в инфракрасном диапазоне. Технологии широкополосного сигнала, используемые в радиочастотных методах, увеличивают надежность, пропускную способность, позволяют многим несвязанным друг с другом устройствам разделять одну полосу частот с минимальными помехами друг для друга. При использовании технологии размытого спектра (spread spectrum) передаваемый сигнал "размазан" по некоторому частотному диапазону. Само по себе словосочетание "размытый спектр" означает, что для кодирования сигнала используется более широкий частотный диапазон, чем тот, что требовался бы при передаче только полезной информации.
Протоколы физического уровня для 802.11 основываются на принципах расширения спектра прямой последовательностью - Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) и псевдослучайной перестройки частоты - Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS). Эти методы кардинально отличаются, и несовместимы друг с другом. Для модуляции сигнала FHSS использует технологию Frequency Shift Keying (FSK). При работе на скорости 1 Мбит/с используется FSK модуляция по Гауссу второго уровня, а при работе на скорости 2 Мбит/с - четвертого уровня. Метод DSSS использует технологию модуляции Phase Shift Keying (PSK). При этом на скорости 1 Мбит/с используется дифференциальная двоичная PSK, а на скорости 2 Мбит/с - дифференциальная квадратичная PSK модуляция. Для стандарта 802.11b и 802.11g (DSSS) определен метод дополняющей манипуляции кодом (Code Complementary Keying, CCK). При использовании CCK, для кодирования данных применяется набор из восьми-битных кодировочных слов, которые имеют уникальные математические свойства, которые позволяют корректно их различать получателем при наличии существенных помех.
Для достижения скоростей 5,5 и 11 Мбит/с был выбран метод DSSS (метод частотных скачков в силу ограничений FCC не может поддерживать более высокие скорости), а для 54 Мбит/с - метод OFDM. Следовательно совместимость систем, использующих разные методы, не обеспечивается.
Для поддержки очень зашумленных сред, а также работы на больших расстояниях, сети 802.11b, 802.11a, 802.11g используют динамический сдвиг скорости, который позволяет автоматически изменять скорость передачи данных в зависимости от свойств радиоканала. Например, пользователь может подключиться с максимальной скоростью 11 Мбит/с (802.11b), но в том случае, если повысится уровень помех, или пользователь удалится на большое расстояние, мобильное устройство начнет передавать на меньшей скорости - 5,5, 2 или 1 Мбит/с. В том случае, если возможна устойчивая работа на более высокой скорости, мобильное устройство автоматически начнет передавать с более высокой скоростью. Сдвиг скорости - механизм физического уровня, и является прозрачным для вышестоящих уровней и пользователя.
В версиях стандарта для частотных полос 5 ГГц (802.11a) и 2,4 ГГц (802.11g), описывается следующий метод технологии размытого спектра - ортогональное мультиплексирование с разделением частот. При данном методе радио сигнал разделяется на несколько меньших подсигналов которые, затем передаются одновременно на различных частотах. Импульсы поднесущей частоты имеют прямоугольную форму. Число непересекающихся частотных каналов - 8 (802.11a). Максимальная скорость передачи данных - 54 Мбит/с. К основным преимуществами данного метода можно отнести смягчение узкополосной интерференции сигналов и высокую устойчивость к шумам. Такая технология используется, в частности, в ADSL-системах.
Метод DSSS делит диапазон 2,4 ГГц на 14 частично перекрывающихся каналов (в США доступно только 11 каналов). Для того, чтобы несколько каналов могли использоваться одновременно в одном и том же месте, необходимо, чтобы они отстояли друг от друга на 25 МГц (не перекрывались), для исключения взаимных помех. Таким образом, в одном месте может одновременно использоваться максимум 3 канала. Данные пересылаются с использованием одного из этих каналов без переключения на другие каналы.
Чтобы компенсировать посторонние шумы, используется специальная последовательность (например, код Баркера), когда каждый информационный бит преобразуется в определенное количество бит передаваемых данных. Для передачи единичного и нулевого символов сообщением используется прямая и инверсная последовательности соответственно. Для модуляции несущего колебания в этом случае используются уже не исходные символы сообщения, а прямые или инверсные последовательности (рис. 3.2.1). В приемнике полученный сигнал умножается на код Баркера, в результате он становится узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи. Любая помеха после умножения на код Баркера, наоборот, становится широкополосной, поэтому в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, в несколько раз меньшая по мощности помехи, действующей на входе приемника. В результате демодуляции обычным демодулятором выделяется передаваемое сообщение.
|
| Рис. 3.2.1. DSSS |
Такая высокая избыточность для каждого бита позволяет существенно повысить надежность передачи, при этом значительно снизив мощность передаваемого сигнала. Благодаря этому обеспечивается восстановление исходных данных без повторной передачи, если один или более разрядов оказываются потерянными или искаженными при передаче. Естественно, что при генерации и кодировании избыточных разрядов эффективная частота полученного сигнала возрастает, следовательно, для его передачи требуется более широкий диапазон, чем для передачи "чистой" информации, в результате чего спектр и "растягивается".
При использовании метода частотных скачков полоса 2,4 ГГц делится на 79 каналов по 1 МГц при времени передачи на каждом в течение 20 мс (в диапазоне 900 МГц частотный диапазон передачи разбивается на поддиапазоны шириной 500 кГц). Несущая частота сигнала периодически изменяется, что позволяет легко исправить ошибочно принятые на пораженной частоте блоки, путем их повторной передачи на другой частотной позиции. Порядок следования частот должен быть одинаковым на передающей и приемной стороне или у всех устройств сети при сетевом варианте использования. Отправитель и получатель согласовывают схему переключения каналов (на выбор имеется 22 таких схемы), и данные посылаются последовательно по различным каналам с использованием этой схемы. Каждая передача данных в сети 802.11 происходит по разным схемам переключения, а сами схемы разработаны таким образом, чтобы минимизировать шансы того, что два отправителя будут использовать один и тот же канал одновременно.
|
| Рис. 3.2.2. FHSS |
Для примера на рисунке 3.2.2 представлена частотная временная матрица сигнала FHSS, состоящая из 7 частотных позиций. Для рекомендованного стандартом количества частот Н=79 количество вариантов выбора порядка их следования имеет астрономическое значение 8,946*10116. В общем случае вероятность принять сигнал FHSS злоумышленником обратно этой величине, т.е. такое событие практически невозможно.
Метод FHSS позволяет использовать очень простую схему приемопередатчика, однако ограничен максимальной скоростью 2 Мбит/с. Это ограничение вызвано тем, что под один канал выделяется ровно 1 МГц, что вынуждает FHSS системы использовать весь диапазон 2,4 ГГц. Это означает, что должно происходить частое переключение каналов (например, в США установлена минимальная скорость 2,5 переключения в секунду), что, в свою очередь, приводит к увеличению накладных расходов.
Передача данных в инфракрасном диапазоне длин волн характеризуется довольно большими скоростями (до 155 Мбит/с), а также высокой устойчивостью ко многим видам помех. По стандарту 802.11 должны быть задействованы длины волн в диапазоне 850-950 нм. Импульсная модуляция инфракрасных сигналов осуществляется в частотном диапазоне от 300 ГГц до 428 ТГц при мощности передатчика до 2 Вт. Однако присущие данной технологии недостатки, такие как малый радиус действия и жесткое требование прямой видимости между передающим и принимающим устройствами, существенно ограничивают применение.
Реализация передачи в ИК диапазоне в стандарте 802.11 основана на излучении ИК передатчиком ненаправленного (diffuse IR) сигнала. Вместо направленной передачи, требующей соответствующей ориентации излучателя и приемника, передаваемый ИК сигнал излучается в потолок. Затем происходит отражение сигнала и его прием. Такой метод имеет очевидные преимущества по сравнению с использованием направленных излучателей, однако есть и существенные недостатки - требуется потолок, отражающий ИК излучение в заданном диапазоне длин волн (850 - 950 нм); радиус действия всей системы ограничен 10 метрами. Кроме того, ИК лучи чувствительны к погодным условиям, поэтому метод рекомендуется применять только внутри помещений.
Стандартом 802.11 поддерживаются две скорости передачи данных - 1 и 2 Mbps. На скорости 1 Mbps поток данных разбивается на квартеты, каждый из которых затем во время модуляции кодируется в один из 16-ти импульсов. На скорости 2 Mbps метод модуляции немного отличается - поток данных делится на битовые пары, каждая из которых модулируется в один из четырех импульсов.
| 2. Топология беспроводной сети | Содержание | 4. Безопасность |