Технологии беспроводных локальных сетей

Говоря о вычислительных сетях, практически всегда подразумевают кабельные сети, несмотря на то, что уже несколько лет назад появились беспроводные технологии организации вычислительных сетей. До недавнего времени беспроводная ЛВС неизменно ассоциировалась с низкой скоростью передачи и невысокой надежностью, но современные беспроводные сетевые технологии способны эффективно передавать данные с вполне приемлемыми скоростями, хотя они все же существенно уступают по быстродействию и надежности современным кабельным сетям. Беспроводные технологии обычно применяются там, где без них невозможно обойтись, например, когда пользователю нужна возможность свободного перемещения по зданию с портативным компьютером, непрерывно подключенным к сети, или когда доступ к сети нужен там, куда кабель провести сложно или вовсе невозможно. Есть также беспроводные продукты для домашних ЛВС, в которых прокладка кабеля слишком дорога или эстетически неприемлема.

Основные стандарты беспроводных ЛВС – стандарты группы IEEE 802.11. В 2002 году принято решение использовать термин Wi–Fi (Wireless Fidelity – «беспроводная приверженность») в качестве одного общего имени для стандартов, относящихся к беспроводным ЛВС (Wireless LAN – WLAN).

Стандарт 802.11 (1997 года) определяет три метода передачи, реализуемых на физическом уровне. Это метод инфракрасной передачи и два метода, основанных на радиосвязи небольшого радиуса действия. Последние методы используют радиодиапазоны в районе частот 2,4 ГГц и 915 МГц. Вне зависимости от метода скорость работы составляет 1 или 2 Мбит/с. При этом используется относительно маломощный сигнал, что позволяет уменьшить количество конфликтов между передатчиками. С целью увеличения пропускной способности в 1999 году были разработаны два дополнительных ме­тода, которые работают со скоростями 54 Мбит/с и 11 Мбит/с.

Все пять рассматриваемых далее методов передачи данных позволяют передать кадр подуровня MAC с одной станции на другую. Различаются они используе­мыми технологиями и достижимыми скоростями.

При передаче в инфракрасном диапазоне (вне диапазона видимого света) ис­пользуются длины волн 0,85 или 0,95 мкм. Возможны две скорости передачи: 1 или 2 Мбит/с. При скорости 1 Мбит/с используется схема кодирования с группировкой четы­рех 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 би­те 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 изоли­рованы 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 широкопо­лосных сигналов по методу частотных скачков») используются 79 каналов шириной 1 МГц каждый. Диапазон, в котором работает этот метод, начинается с 2,4 ГГц. Для определения последовательностей скачков частот используется генератор псевдослучайных чисел. Поскольку при этом для всех станций используется один и тот же генератор, они синхронизиро­ваны 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 частотного диапазона. Кроме того, постоянная смена частот – это неплохой, хотя и недостаточный способ защиты информации от несанкционированного прослушивания (поскольку, не зная последовательности частотных переходов и времени пребывания, не возможно подслушать передаваемые данные). Этот метод относи­тельно слабо чувствителен к интерференции с радиосигналом, что делает его по­пулярным при связи между зданиями. Главный недостаток FHSS – его низкая пропускная способность.

Третий метод модуляции называется DSSS (Direct Sequence Spread Spect­rum – «передача широкополосного сигнала по методу прямой последовательно­сти») и работает в радиодиапазоне 915 МГц. Так как этот частотный диапазон существенно загружен другими потребителями (в частности, радиотелефонами 900 МГц), исходящий сигнал модулируется с помощью избыточного цифрового кода, в котором каждый бит данных преобразуется в несколько бит, что позволяет «размазывать» сигнал по более широкой частотной полосе. При этом ка­ждый бит передается в виде 11 элементарных сигналов, которые называются по­следовательностью Баркера, для чего используется модуляция с фазовым сдвигом со скоростью 1 Мбод (1 бит на 1 бод при работе на 1 Мбит/с и 2 бита на 1 бод при работе на 2 Мбит/с).

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 диапазоне 5 ГГц. В этом методе используются 52 разные частоты, из них 48 частот предназначе­ны для данных, а 4 – для синхронизации. Одновременная пе­редача сигналов на разных частотах позволяет говорить о расширенном спектре, хотя этот метод существенно отличается от FHSS. Разделение сигнала на большое число узких диапазонов имеет преимущества перед передачей в одном широ­ком 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 квадратурно-амплитудной модуляции при более высоких скоростях. При 54 Мбит/с 216 бит данных кодируются 288-битными кодовыми словами.

Метод 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. Соответствующий стандарт имеет наименование 802.11b. Скорости передачи данных, поддерживаемые этим стандартом, равны 1; 2; 5,5 и 11 Мбит/с. Скорость передачи может быть динамически изменена во время работы для достижения оптимальных результатов в зависимости от усло­вий нагрузки и «зашумленности» линии. На практике скорость работы стандарта 802.11b почти всегда равна 11 Мбит/с. Хотя 802.11b медленнее, чем 802.11а, диа­пазон первого почти в 7 раз шире, что бывает очень важно во многих ситуациях.

Улучшенная версия 802.11b имеет наименование 802.11g и принята в качестве стандарта IEEE в 2001 году. В 802.11g применяется метод модуляции OFDM, взятый из 802.11а, однако рабочий диапазон совпадает с 802.11b (узкий диапазон 2,4 ГГц). Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту 802.11g составляет 54 Мбит/с.

Протокол MAC в стандарте 802.11 довольно сильно отличается от аналогичного протокола Ethernet вследствие присущей беспровод­ным сетям сложности по сравнению с проводными сетями. В Ethernet станция просто ожидает, пока в канале наступит тишина, и тогда начинает передачу. Если шумовой всплеск не приходит обратно в течение времени, необходимого на пере­сылку 64 байт, то можно утверждать, что кадр почти наверняка доставлен кор­ректно. В беспроводных сетях такой механизм не может быть надежно использован. Во-первых, в беспроводных сетях существует так называемая проблема скрытой станции. Поскольку не все станции могут слышать друг друга, передача, идущая в одной части соты, мо­жет быть просто не воспринята станцией, находящейся в другой ее части. 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 ли­нии. В итоге технология 802.11 не может использовать метод CSMA/CD (который применяется в Ethernet).

Для преодоления этой проблемы стандарт 802.11 поддерживает два способа работы. Первый называется DCF (Distributed Coordination Function – «распреде­ленная координация») и не имеет никаких средств централизованного управле­ния (в этом смысле напоминая Ethernet). Второй способ, PCF (Point Coor­dination 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 яв­ляется дополнительной возможностью.

В DCF 802.11 использует протокол CSMA/CA. Протокол CSMA/CA может работать в двух режимах. В первом режиме станция перед передачей прослушивает канал. Если он свободен, начинается пересылка данных. Во время пе­ресылки канал не прослушивается, и станция передает кадр целиком, причем он может быть разрушен на стороне приемника из-за интерференции сигналов. Ес­ли канал занят, отправитель дожидается его освобождения и затем начинает пе­редачу. Если возникает коллизия, станции, не поделившие между собой канал, выжидают в течение случайных интервалов времени, используя двоичный экспоненциальный откат (такой же, как в Ethernet) и затем снова пытаются от­править кадр. В общих чертах CSMA/CA напоминает CSMA/CD, так как прежде чем начать передачу данных, станции «прослушивают» сеть, чтобы проверить, не занята ли она. Если сеть свободна, начинается передача данных. В принципе, в сети CSMA/CA две станции могут начать передачу данных одновременно, что приведет к коллизии. Разница же между двумя механизмами MAC заключается в том, что в беспроводной среде механизм обнаружения коллизий CSMA/CD непрактичен, так как для него необходима полнодуплексная связь. Для станции в сети Ethernet признаком коллизии служит появление входящего сигнала в принимающей паре проводов одновременно с передачей исходящего сигнала по передающей паре. Создать беспроводное сетевое устройство, способное передавать и принимать данные одновременно, гораздо сложнее. Поэтому принимающая станция в сети CSMA/CA и не пытается обнаружить коллизии. Вместо этого она проверяет коды входящих пакетов и, не обнаружив ошибок, передает отправителю пакета уведомление о доставке, которое служит признаком того, что коллизии не было. Не получив подтверждения приема, отправитель передает пакет повторно. Если после максимально установленного количества повторных передач пакета подтверждение приема так и не получено, станция передает управление процессом коррекции ошибок протоколам верхних уровней сетевого стека.

Другой режим CSMA/CA основан на усовершенствованном варианте протокола CSMA/CA – протоколе MACAW (Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless – множественный доступ с избежанием коллизий для беспроводных сетей) – и использует кон­троль виртуального канала. В показанном на рис. 10.6 примере станция «А» предполагает 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». Протокол начинает работать тогда, когда «А» решает, что ей необходимо по­слать данные «В». Станция «А» посылает станции «В» кадр RTS (Request To Send – запрос на отправку), запрашивая разрешение на передачу. Если «В» может принять данные, она отсылает обратно положительное подтверждение – кадр CTS (Clear To Send – разрешение отправки). После приема CTS станция «А» запускает таймер АСК (ACKnowledge – подтверждение доступа) и начи­нает передачу данных. В случае корректного приема «В» генерирует кадр АСК, сооб­щающий станции «А» о конце передачи. Если интервал времени таймера на стан­ции «А» истекает прежде, чем получен АСК, весь алгоритм работы протокола повторяется с самого начала.

Время ––––––––>

Рис. 10.6. Использование прослушивания виртуального канала

в протоколе MASAW

Рассмотрим этот же процесс с точки зрения станций «С» и «D». «С» находит­ся в зоне действия «А», поэтому она также принимает кадр RTS и понимает, что скоро по каналу будут передаваться какие-то данные и следует при этом подождать окончания активности соседних станций. Исходя из информа­ции, содержащейся в RTS, станция «С» может предположить, сколько времени займет передача последовательности, включая конечный кадр АСК. В течение этого промежутка «С» считает, что ее виртуальный канал занят и она не передает данные. Индикацией такого состояния является последовательность NAV (Network Allocation Vector – вектор выделенной сети). Станция «D» не слышит RTS, посылаемый «А», зато слышит CTS, посланный станцией «В», и также выставляет NAV. Сигналы NAV не передаются, а яв­ляются лишь внутренними напоминаниями станций о том, что нужно хранить молчание в течение определенного промежутка времени.

В противоположность проводным каналам, беспроводные каналы «зашумлены» и ненадеж­ны. В ре­зультате вероятность корректной передачи кадра уменьшается пропорционально увеличению длины кадра. Длинные кадры вообще имеют очень мало шансов дойти до получателя неповрежденными, и их нужно посылать заново. Для решения проблемы «зашумленных» каналов беспроводных сетей применя­ется разбиение кадров на небольшие отрезки, каждый из которых содержит соб­ственную контрольную сумму. Фрагменты нумеруются и подтверждаются инди­видуально с использованием протокола с ожиданием (то есть отправитель не может передать фрагмент с номером k + 1, пока не получит подтверждения о доставке фрагмента с номером k). Захватив канал с помощью диалога, состоящего из RTS и CTS, отправитель может передать несколько кадров подряд. Такая последовательность фрагментов называется пачкой фрагментов.

Фрагментация повышает производительность путем принудительной повтор­ной пересылки коротких отрезков кадров, в которых произошла ошибка, а не кадров целиком. Размер фрагмента не закрепляется стандартом, а является на­страиваемым параметром каждой ячейки беспроводной сети и может оптимизи­роваться базовой станцией. Механизм выставления NAV удерживает станции от передачи только до прихода первого подтверждения о доставке.

Итак, все описанное выше относится к способу DCF (распределенная координация) стандарта 802.11. В этом способе отсутствует централизован­ный контроль, и станции самостоятельно борются за эфирное время примерно так же, как в Ethernet. Но беспроводные сети могут работать и с использования другого способа, который называется PCF (сосредоточенная координация). В этом случае базовая станция опрашивает все подчиненные ей станции, выявляя те из них, которые требуют предоставить им канал. Порядок передачи данных полностью и центра­лизованно 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 нали­чия либо отсутствия каких-либо приоритетов у отдельных станций. Механизм основан на том, что базовая станция широковещательным спосо­бом периодически (10–100 раз в секунду) передает сигнальный кадр. В нем со­держатся 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 гаранти­рованную долю пропускной способности (при определенных параметрах скоро­сти), то есть ей гарантируется качество обслуживания.

Оба способа (PCF и DCF) могут сосуществовать даже внутри одной соты сети. Стандарт 802.11 предлагает такую возможность. Это делается путем очень аккуратного определе­ния межкадрового интервала. После отправки кадра необходимо какое-то время простоя, прежде чем какая-либо станция получит разрешение послать кадр. Все­го определено четыре интервала, каждый из которых имеет собственное предна­значение. Самый короткий интервал – это SIFS (Short InterFrame Interval – короткий межкадровый интервал). Он используется для того, чтобы одна из сторон, веду­щих диалог с помощью управляющих кадров, могла получить шанс начать пер­вой. 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 посылаемых отправителем фрагментов (то есть отправитель не по­сылает 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 ин­тервал 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 вме­шательства со стороны соседей, но дает и базовой станции возможность после окончания передачи станцией захватить канал, не борясь за него с другими же­лающими. Если базовой станции нечего сообщить и интервал DIFS (DCF InterFrame Spac­ing – межкадровый интервал DCF) истекает, то любая станция может попытать­ся захватить канал. Применяются при этом обычные правила борьбы, включая двоичный экспоненциальный откат в случае коллизии. Последний временной интервал называется EIFS (Extended InterFrame Spac­ing – расширенный межкадровый интервал). Он используется той стан­цией, которая только что получила испорченный или неопознанный кадр и стремится сообщить об этом факте. Именно этому событию отдан наиболее низкий приоритет, так как приемнику необходимо выждать в течение какого-то интервала времени, чтобы не прерывать идущий в это время диалог между станциями.

В соответствии со стандартом 802.11 все совместимые беспроводные ЛВС должны предоставлять девять типов сервисов (услуг). Их можно разделить на две катего­рии: сервисы распределения и станционные сервисы. Сервисы распределения связаны с управлени­ем станциями, находящимися в данной соте, и взаимодействием с внешними станциями. Станционные сервисы, наоборот, имеют отношение к управлению ак­тивностью внутри одной соты.

Сервисы распределения предоставляются базовой станцией и имеют де­ло с мобильностью станций при их входе в соту или выходе из нее. При этом станции устанавливают либо разрывают взаимодействие с базовой станцией. К сервисам распределения относятся ассоциация (используется мобильными станциями для подключе­ния к базовым станциям), дизассоциация (разрыв отношений при выключении станции или ее уходе из зоны действия базовой станции), реассоциация (используется для смены базовой станции при перемещении станции из одной соты в другую), распределение (используется для определения маршрутизации кад­ров, посылаемых базовой станции), интеграция (реализует трансляцию форматов для прохода кадров через сеть, не подчиняющуюся стан­дарту 802.11 и использующую другую схему адресации и/или формат кадра).

Стан­ционные сервисы – это внутренние услуги соты. Они предоставля­ются после прохождения ассоциации, описанной выше. К стан­ционным сервисам относятся идентификация (после которой станции разрешается обмен данными), деидентификация (после которой станция, работавшая в сети, покидает ее), конфиденциальность (осуще­ствляет операции по шифрации и дешифрации информации), доставка данных.

В беспроводных сетях используются две топологии – «каждый с каждым» и «инфраструктура». При первой топологии станции, оборудованные беспроводными сетевыми интерфейсами, обмениваются данными непосредственно друг с другом, не прибегая к кабельной сети. В сеть этого типа можно включать лишь ограни­ченное число станций, поэтому они применяются в основном в условиях небольших офисов. Топология «инфраструктура» позволя­ет расширить обычную кабельную сеть и сделать ее более гибкой за счет возможности беспроводного подключения к ней компьютеров через специальное устройство – точку доступа (access point). Если в сети есть несколько точек доступа, они подключаются к магистрали, которая называется системой распределения (distribution system) и чаще всего представляет собой кабельную сеть, хотя в принципе может быть и беспроводной. Роль точки доступа может играть как специализированное устройство, так и компьютер, оборудованный не только беспроводным, но и кабельным сетевым интерфейсом, подключенным к обычной кабельной ЛВС. Беспроводные клиенты обмениваются данными с кабельной сетью, используя точку доступа в качестве посредника. По сути, точка доступа выступает в роли моста-транслятора, поскольку ей приходится преобразовывать сигналы беспроводной сети в сигналы кабельной сети и обратно, объединяя их в общий широковещательный домен.

На производительность мобильных станций существенное влияние оказывают расстояние и внешние условия. Обычно одна точка доступа поддерживает работу от 10 до 20 клиентов в зависимости от того, насколько активно они пользуются сетью (при условии, что они не удаляются от точки доступа более чем на 100 м). Стены и электромагнитные помехи существенно снижают производительность. Для расширения беспроводной части сети и поддержки большего числа клиентов можно воспользоваться несколькими точками доступа или установить точку расширения (extension point) – по сути, беспроводной повторитель (ретранслятор между беспроводными клиентами и точкой доступа).