Протокол МАС - Беспроводный доступ к Интернет

Длительность базовой части кадра для передачи информации в радиоинтерфейсе фиксирована и равна 2 мс. Кадр также содержит поля управления: безадресной передачей, структурой кадра, обратным каналом, передачей данных в прямом и обратном направлениях, а также случайным доступом. В процессе передачи в прямом направлении каждый кадр содержит дополнительное поле управления передачей в прямом направлении. Поле управления безадресной передачей всегда имеет фиксированную длину, в то время как длина других полей динамически адаптируется к текущим характеристикам трафика.

Информация в поле безадресной передачи данных (BCH) посылается в каждом кадре МАС и позволяет, в основном, поддерживать управление ресурсами радиопередачи. Поле канала кадра (FCH) содержит точное описание назначения ресурсов в пределах данного кадра МАС. Поле канала доступа с обратной связью (АСН) транспортирует информацию о предыдущих попытках при случайном доступе. Поля информации о нагрузке в прямом и обратном направлениях содержат данные о нагрузке к (от) мобильному(го) терминалу(а). Трафик нескольких соединений к (от) мобильному(го) терминалу(а) может быть мультиплексирован в одну последовательность блоков PDU, в которой каждому соединению принадлежат поля LCH длиной 54 октета для данных и поля SCH длиной 9 октетов для сообщений управления.

В стандарте HIPERLAN/2 предусмотрена поддержка работы с многовибраторной (многосекторной) антенной с целью улучшения использования ресурса и снижения помех при радиопередаче.

Для протокола МАС и структуры кадра HIPERLAN/2 поддерживается работа с многовибраторной антенной с числом вибраторов до 8.

Когда на мобильном терминале есть данные для передачи по определенному соединению DLC, от него сначала должен быть послан запрос ресурса (RR) пропускной способности к точке доступа.

Этот запрос содержит данные о числе блоков LCH PDU, ожидающих на мобильном терминале передачи по конкретному соединению DLC. С помощью системы разделения на временные интервалы для посылки сообщения RR мобильный терминал может использовать разное количество интервалов времени для передачи полезной информации.

При возникновении конфликта мобильный терминал получает информацию об этом в поле АСН следующего кадра МАС. После этого мобильный терминал "сбрасывает" значение случайного числа временных интервалов доступа.

После передачи запроса ресурсов к точке доступа мобильный терминал переходит в режим, в котором возможности передачи заранее спланированы как для прямого, так и для обратного направления. Планирование ресурсов выполняется в точке доступа.

Время от времени из точки доступа может осуществляться опрос мобильного терминала с целью получения информации о наличии блоков PDU для передачи. Аналогично от мобильного терминала может передаваться информация о его состоянии посредством посылки запроса ресурсов через RCH.

Функции сети радиопередачи и поддержка качества услуги (QoS)

зависимость процента отношения пропускной способности к максимально возможной (cdf) от отношения сигнал-помеха (c/i) для входящего (dl) и исходящего (ul) потоков для выставочного зала

Рис. 9. Зависимость процента отношения пропускной способности к максимально возможной (CDF) от отношения сигнал-помеха (C/I) для входящего (DL) и исходящего (UL) потоков для выставочного зала

В стандарте HIPERLAN/2 определены процедуры измерений и сигнализации, предназначенные для поддержки ряда функций сети радиопередачи, включая динамический выбор частотного канала, адаптацию на уровне звена, передачу управления доступом, работу с многовибраторными антеннами и управление энергетическими характеристиками. При этом алгоритмы разрабатываются самими производителями оборудования. Поддерживаемые функции сети радиопередачи позволяют развернуть соты системы HIPERLAN/2 с полным покрытием и высокими скоростями передачи данных для различных условий. Система автоматически назначает частоты для связи с каждой точкой доступа, причем динамический выбор частот (DFS) позволяет разным операторам совместно использовать одну полосу. Выбор частот базируется на процедурах измерения интерференции, выполняемых в точке доступа и на взаимодействующих с ней мобильных терминалах.

Качество звена радиопередачи зависит как от среды распространения сигнала, параметры которой меняются со временем, так и от загрузки соседних радиосот. Для работы в таких условиях применяется схема адаптации звена на физическом уровне, в которой скорость кода и схема модуляции выбираются на основе измерений качества радиоканала. Адаптация звена используется как в прямом, так и в обратном направлениях.

Качество звена измеряется в точке доступа на входящем направлении и, посредством индикатора FCH, показывает, какой режим для мобильного терминала на физическом уровне должен использоваться для входящей связи. Аналогично на мобильном терминале измеряется качество звена на исходящем направлении, в результате чего в каждом запросе ресурса, поступающем к точке доступа, предлагается режим исходящей связи на физическом уровне для мобильного терминала. В точке доступа происходит окончательный выбор режима на физическом уровне как для входящей, так и исходящей связи.

Контроль энергетических характеристик передатчика поддерживается на мобильном терминале (исходящая связь) и в точке доступа (входящая связь). Этот тип контроля на мобильном терминале используется, в основном, для упрощения конструкции приемника в точке доступа, так как позволяет избежать необходимости реализации автоматического контроля коэффициента усиления. В точке доступа контроль энергетических характеристик вводится, в первую очередь, в целях электромагнитной совместимости с другими системами, работающими в том же диапазоне частот.

В системе HIPERLAN/2 качество услуг поддерживается за счет возможности определения и управления различными ресурсами передачи в точке доступа во время передачи. В точке доступа производится выбор соответствующего режима защиты от ошибок (с подтверждением, без подтверждения или с повтором), включая детальную настройку параметров протокола (например, размер "окна" ARQ, число повторных передач, критерии отбрасывания). Кроме того, в точке доступа определяется объем полезной информации и информации сигнализации на уровне МАС, которая должна быть передана в текущем кадре МАС. Например, посредством периодического опроса мобильного терминала о наличии данных для передачи в точке доступа для терминала предоставляется ресурс радиопередачи с малой задержкой доступа. Механизм опроса обеспечивает быстрый доступ к услугам в режиме реального времени. Дополнительно поддержка качества услуг включает в себя функции адаптации звена и внутренние функции системы (механизмы допуска, управления перегрузкой и сброса).

Физический уровень

Блоки данных, передаваемые на физическом уровне HIPERLAN/2, представляют собой пакеты переменной длины. Каждый пакет состоит из преамбулы и поля данных. Поле данных, в свою очередь, состоит из последовательности SCH и блоков LCH PDU, которые передаются или принимаются мобильным терминалом.

В качестве схемы модуляции для HIPERLAN/2 было выбрано мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM), позволяющее обеспечить хорошую помехоустойчивость для радиоканалов со сложной помеховой обстановкой. В таких радиоканалах и при скорости передачи информации от 25 Мбит/с, когерентная OFDM в среднем обеспечивает на 2-3 дБ характеристики помехоустойчивости лучше, чем использование одной несущей. Недостатком OFDM является относительно большой пик-фактор, который применительно к стандарту HIPERLAN/2 на 2-3 дБ больше, чем при одной несущей.

В качестве стандартного радиоканала был выбран канал с полосой частот 20 МГц. Этот стандартный канал разбивается на 64 поднесущие для возможности использования в модуляторе алгоритма 64-точечного обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT), формирующего OFDM-символ. При этом поднесущие следуют через 20/64=0.3125 МГц. C целью минимального взаимного влияния соседних каналов из 64 возможных поднесущих реально используется лишь 52: 48 для передачи информации и 4 пилот-сигнала для управления когерентной демодуляцией.

Ключевой функциональной возможностью физического уровня является поддержка семи режимов физического уровня с различными скоростями кодирования и схемами модуляции, выбираемыми при адаптации звена (табл.1). Поддерживается двоичная и квадратурная фазовая манипуляция (BPSK, QPSK), 16-квадратурная амплитудная модуляция (16QAM), а также (при необходимости) 64QAM для модуляции поднесущих. В качестве базового канального помехоустойчивого кода (FEC) используется сверточный код со скоростью 1/2 и кодовым расстоянием 7. Скорости кода 9/16 и 3/4 реализуются выкалыванием базового кода.

Каждый пакет протокола физического уровня включает в себя преамбулу, которая может быть одного из трех следующих типов:

Канал управления безадресной передачей;

Другие каналы входящей связи;

Канал исходящей связи и быстрого доступа.

Преамбула пакетов для канала прямого звена идентична преамбуле пакетов "длинного" входящего канала. Преамбула канала управления безадресной передачей позволяет поддерживать кадровую синхронизацию, автоматический контроль усиления, частотную синхронизацию и процедуру оценки параметров канала. Напротив преамбула пакетов исходящего трафика используется исключительно для процедуры оценки параметров радиоканала. Пакеты входящего трафика и пакеты быстрого доступа позволяют поддерживать процедуры оценки параметров радиоканала и частоты. Таким образом, существуют разные преамбулы с различной структурой и длиной. В зависимости от возможностей приемника в точке доступа может осуществляться выбор одного из двух типов преамбул для исходящего трафика. Мобильный терминал должен обязательно поддерживать каждый тип преамбулы.

Терминалы осуществляют тактовую синхронизацию по преамбуле BCH. Результаты моделирования показали, что даже при наихудших значениях отношения сигнал-шум (5 дБ мощности в канале с широкой дисперсией затухания и разбросом задержки в 250 нс), вероятность успешной синхронизации в HIPERLAN/2 составляет 96%. Таким образом, в HIPERLAN/2 поддерживаются средства быстрой, эффективной и надежной синхронизации. Результаты исследования системы

В настоящее время проведено моделирование системы HIPERLAN/2 для офисного пятиэтажного здания с несколькими мобильными терминалами и выставочного зала. В качестве математической модели среды радиосвязи между терминалами и точкой доступа была выбрана расширенная модель Кинана-Мотлима, которая учитывает зависимость затухания сигнала в стенах от расстояния, этажности здания и т. п. Покрытие офисного здания обеспечивалось 8-ю точками доступа. Условия выставочного зала моделировались большим одноэтажным зданием без внутренних стен, а покрытие зала обеспечивалось 16-ю точками доступа, равномерно расположенными на расстоянии 60 м друг от друга по всей площади зала. Для обоих случаев мобильность терминалов (перемещение людей) учитывалась наличием замирания сигнала с дисперсией 2 дБ. Терминалы были размещены в здании случайным образом с равномерным распределением, а каждой точке доступа соответствовал один активный терминал. При этом использовалась стратегия, при которой каждому терминалу выделялся одинаковый объем радиоресурса, выраженный в числе передаваемых OFDM-символов в единицу времени. Интерференция моделировалась исходя из предположения, что есть второй оператор связи, который использует 11 из 19 рабочих каналов (несущих). Взаимное проникновение соседних каналов было установлено на уровне 25 дБ. Для обеспечения постоянного уровня мощности приема в точке доступа использовалось управление мощностью исходящего трафика. Процедура адаптации звена моделировалась путем изменения положения терминалов каждые 10 кадров MAC. В каждом интервале между изменениями оценивалась пропускная способность для всех режимов физического уровня, и во время следующего интервала использовался режим, при котором была достигнута максимальная пропускная способность на предыдущем интервале. Результатом моделирования явилась оценка средней пропускной способности для всех терминалов.

Заключение

Стандарт HIPERLAN/2 представляет собой описание системы высокоскоростного (до 54 Мбит/с) радиодоступа на расстояниях до 150 м для диапазона 5 ГГц.

Исследования подтверждают, что высокая пропускная способность может быть достигнута в различных условиях. Для условий сильной интерференции в стандарте предусмотрены централизованное управление (поддержка QoS), избирательный повтор ARQ, процедуры адаптации звена и динамический выбор частоты. При этом поддерживается взаимодействие с широкополосными опорными сетями различных типов.

Стандарт IEEE 802.11 для широкополосного беспроводного доступа

Комитет по стандартам IEEE 802 сформировал рабочую группу по стандартам для беспроводных локальных сетей 802.11 в 1990 году. Эта группа занялась разработкой всеобщего стандарта для радиооборудования и сетей, работающих на частоте 2,4 ГГц, со скоростями доступа 1 и 2 Mbps (Megabits-per-second). Работы по созданию стандарта были завершены через 7 лет, и в июне 1997 года была ратифицирована первая спецификация 802.11. Стандарт IEEE 802.11 являлся первым стандартом для продуктов WLAN от независимой международной организации, разрабатывающей большинство стандартов для проводных сетей. Однако к тому времени заложенная первоначально скорость передачи данных в беспроводной сети уже не удовлетворяла потребностям пользователей. Для того, чтобы сделать технологию Wireless LAN популярной, дешевой, а главное, удовлетворяющей современным жестким требованиям бизнес-приложений, разработчики были вынуждены создать новый стандарт.

В сентябре 1999 года IEEE ратифицировал расширение предыдущего стандарта. Названное IEEE 802.11b (также известное, как 802.11 High rate), оно определяет стандарт для продуктов беспроводных сетей, которые работают на скорости 11 Mbps (подобно Ethernet), что позволяет успешно применять эти устройства в крупных организациях. Совместимость продуктов различных производителей гарантируется независимой организацией, которая называется Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA). Эта организация была создана лидерами индустрии беспроводной связи в 1999 году. В настоящее время членами WECA являются более 80 компаний, в том числе такие известные производители, как Cisco, Lucent, 3Com, IBM, Intel, Apple, Compaq, Dell, Fujitsu, Siemens, Sony, AMD и пр. С продуктами, удовлетворяющими требованиям Wi-Fi (термин WECA для IEEE 802.11b), можно ознакомиться на сайте WECA.

Потребность в беспроводном доступе к локальным сетям растет по мере увеличения числа мобильных устройств, таких как ноутбуки и PDA, а так же с ростом желания пользователей быть подключенными к сети без необходимости "втыкать" сетевой провод в свой компьютер. По прогнозам, к 2003 году в мире будет насчитываться более миллиарда мобильных устройств, а стоимость рынка продукции WLAN к 2002 году прогнозируется более чем в 2 миллиарда долларов.

Стандарт IEEE 802.11 и его расширение 802.11b

Как и все стандарты IEEE 802, 802.11 работает на нижних двух уровнях модели ISO/OSI, физическом уровне и канальном уровне (рис. 10). Любое сетевое приложение, сетевая операционная система, или протокол (например, TCP/IP), будут так же хорошо работать в сети 802.11, как и в сети Ethernet.

Основная архитектура, особенности и службы 802.11b определяются в первоначальном стандарте 802.11. Спецификация 802.11b затрагивает только физический уровень, добавляя лишь более высокие скорости доступа.

Режимы работы 802.11

802.11 определяет два типа оборудования - клиент, который обычно представляет собой компьютер, укомплектованный беспроводной сетевой интерфейсной картой (Network Interface Card, NIC), и точку доступа (Access point, AP), которая выполняет роль моста между беспроводной и проводной сетями. Точка доступа обычно содержит в себе приемопередатчик, интерфейс проводной сети (802.3), а также программное обеспечение, занимающееся обработкой данных. В качестве беспроводной станции может выступать ISA, PCI или PC Card сетевая карта в стандарте 802.11, либо встроенные решения, например, телефонная гарнитура 802.11.

Рис. 10. Уровни модели ISO/OSI и их соответствие стандарту 802.11

Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети - режим "Ad-hoc" и клиент/сервер (или режим инфраструктуры - infrastructure mode). В режиме клиент/сервер беспроводная сеть состоит из как минимум одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных оконечных станций. Такая конфигурация носит название базового набора служб (Basic Service Set, BSS). Два или более BSS, образующих единую подсеть, формируют расширенный набор служб (Extended Service Set, ESS). Так как большинству беспроводных станций требуется получать доступ к файловым серверам, принтерам, Интернет, доступным в проводной локальной сети, они будут работать в режиме клиент/сервер.

Режим "Ad-hoc" (также называемый точка-точка, или независимый базовый набор служб, IBSS) - это простая сеть, в которой связь между многочисленными станциями устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа. Такой режим полезен в том случае, если инфраструктура беспроводной сети не сформирована (например, отель, выставочный зал, аэропорт), либо по каким-то причинам не может быть сформирована.

Рис. 11. Архитектура сети "Ad-hoc"

Физический уровень 802.11

На физическом уровне определены два широкополосных радиочастотных метода передачи и один - в инфракрасном диапазоне. Радиочастотные методы работают в ISM диапазоне 2,4 ГГц и обычно используют полосу 83 МГц от 2,400 ГГц до 2,483 ГГц. 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.

Стандарт 802.11 использует метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) и метод частотных скачков (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 Mbps используется FSK модуляция по Гауссу второго уровня, а при работе на скорости 2 Mbps - четвертого уровня.

Метод DSSS использует технологию модуляции Phase Shift Keying (PSK). При этом на скорости 1 Mbps используется дифференциальная двоичная PSK, а на скорости 2 Mbps - дифференциальная квадратичная PSK модуляция.

Заголовки физического уровня всегда передаются на скорости 1 Mbps, в то время как данные могут передаваться со скоростями 1 и 2 Mbps.

Метод передачи в инфракрасном диапазоне (IR)

Реализация этого метода 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.

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. Пиковая мощность передаваемого сигнала составляет 2 Вт.

Метод FHSS

При использовании метода частотных скачков полоса 2,4 ГГц делится на 79 каналов по 1 МГц. 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.

Метод FHSS позволяет использовать очень простую схему приемопередатчика, однако ограничен максимальной скоростью 2 Mbps. 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.

Метод DSSS

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 11-ти битная последовательность Баркера, когда каждый бит данных пользователя преобразуется в 11 бит передаваемых данных. Такая высокая избыточность для каждого бита позволяет существенно повысить надежность передачи, при этом значительно снизив мощность передаваемого сигнала. Даже если часть сигнала будет утеряна, он в большинстве случаев все равно будет восстановлен. Тем самым минимизируется число повторных передач данных.

Изменения, внесенные 802.11b

Основное дополнение, внесенное 802.11b в основной стандарт - это поддержка двух новых скоростей передачи данных - 5,5 и 11 Mbps. Для достижения этих скоростей был выбран метод DSSS, так как метод частотных скачков в силу ограничений FCC не может поддерживать более высокие скорости. Из этого следует, что системы 802.11b будут совместимы с DSSS системами 802.11, но не будут работать с системами FHSS 802.11.

Для поддержки очень зашумленных сред, а также работы на больших расстояниях, сети 802.11b используют динамический сдвиг скорости, который позволяет автоматически изменять скорость передачи данных в зависимости от свойств радиоканала. Например, пользователь может подключиться с максимальной скоростью 11 Mbps, 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 Mbps. 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.

Канальный (Data Link) уровень 802.11

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.

MAC уровень 802.11 очень 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.

CSMA/CA работает следующим образом. Станция, желающая передавать, тестирует канал, и если не обнаружено активности, станция ожидает в течение некоторого случайного промежутка времени, а затем передает, если среда передачи данных все еще свободна. Если пакет приходит целым, принимающая станция посылает пакет ACK, по приеме которого отправителем завершается процесс передачи. Если передающая станция не получила пакет ACK, в силу того, что не был получен пакет данных, или пришел поврежденный ACK, делается предположение, что произошла коллизия, и пакет данных передается снова через случайный промежуток времени.

Для определения того, является ли канал свободным, используется алгоритм оценки чистоты канала (Channel Clearance Algorithm, CCA). Его суть заключается в измерении энергии сигнала на антенне и определения мощности принятого сигнала (RSSI). Если мощность принятого сигнала ниже определенного порога, то канал объявляется свободным, и MAC уровень получает статус CTS. Если мощность выше порогового значения, передача данных задерживается в соответствии с правилами протокола. Стандарт предоставляет еще одну возможность определения незанятости канала, которая может использоваться либо отдельно, либо вместе с измерением RSSI - метод проверки несущей. Этот метод является более выборочным, так как с его помощью производится проверка на тот же тип несущей, что и по спецификации 802.11. Наилучший метод для использования зависит от того, каков уровень помех в рабочей области.

Таким образом, CSMA/CA предоставляет способ разделения доступа по радиоканалу. Механизм явного подтверждения эффективно решает проблемы помех. Однако он добавляет некоторые дополнительные накладные расходы, которых нет в 802.3, поэтому сети 802.11 будут всегда работать медленнее, чем эквивалентные им Ethernet локальные сети.

Рис. 12. Иллюстрация проблемы "скрытой точки"

Другая специфичная проблема MAC-уровня - это проблема "скрытой точки", когда две станции могут обе "слышать" точку доступа, но не могут "слышать" друг друга, в силу большого расстояния или преград (рис. 12). Для решения этой проблемы в 802.11 на MAC уровне добавлен необязательный протокол Request to Send/Clear to Send (RTS/CTS). Когда используется этот протокол, посылающая станция передает RTS и ждет ответа точки доступа с 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.

Наконец, 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

Рис. 13. Подключение к сети и иллюстрация правильного назначения каналов для точек доступа

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 (рис. 13).

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 (Рис. 13).

Поддержка потоковых данных

Потоковые данные, такие как видео или голос, поддерживаются в спецификации 802.11 на MAC уровне посредством Point Coordination Function (PCF). В противоположность Distributed Coordination Function (DCF), где управление распределено между всеми станциями, в режиме PCF только точка доступа управляет доступом к каналу. В том случае, если установлен BSS с включенной PCF, время равномерно распределяется промежутками для работы в режиме PCF и в режиме CSMA/CA. Во время периодов, когда система находится в режиме PCF, точка доступа опрашивает все станции на предмет получения данных. На каждую станцию выделяется фиксированный промежуток времени, по истечении которого производится опрос следующей станции. Ни одна из станций не может передавать в это время, за исключением той, которая опрашивается. Так как PCF дает возможность каждой станции передавать в определенное время, то гарантируется максимальная латентность. Недостатком такой схемы является то, что точка доступа должна производить опрос всех станций, что становится чрезвычайно неэффективным в больших сетях.

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.

Безопасность

802.11 b обеспечивает контроль доступа на MAC уровне (второй уровень в модели ISO/OSI), и механизмы шифрования, известные как Wired Equivalent Privacy (WEP), целью которых является обеспечение беспроводной сети средствами безопасности, эквивалентными средствам безопасности проводных сетей. Когда включен WEP, он защищает только пакет данных, но не защищает заголовки физического уровня, так что другие станции в сети могут просматривать данные, необходимые для управления сетью. Для контроля доступа в каждую точку доступа помещается так называемый ESSID (или WLAN Service Area ID), без знания которого мобильная станция не сможет подключиться к точке доступа. Дополнительно точка доступа может хранить список разрешенных MAC адресов, называемый списком контроля доступа (Access Control List, ACL), разрешая доступ только тем клиентам, чьи MAC адреса находятся в списке.

Для шифрования данных стандарт предоставляет возможности шифрования с использованием алгоритма RC4 с 40-битным разделяемым ключом. После того, как станция подключается к точке доступа, все передаваемые данные могут быть зашифрованы с использованием этого ключа. Когда используется шифрование, точка доступа будет посылать зашифрованный пакет любой станции, пытающейся подключиться к ней. Клиент должен использовать свой ключ для шифрования корректного ответа для того, чтобы аутентифицировать себя и получить доступ в сеть. Выше второго уровня сети 802.11b поддерживают те же стандарты для контроля доступа и шифрования (например, IPSec), что и другие сети 802.

Безопасность для здоровья

Так как мобильные станции и точки доступа являются СВЧ устройствами, у многих возникают вопросы по поводу безопасности использования компонентов Wave LAN. Известно, что чем выше частота радиоизлучения, тем опаснее оно для человека. В частности, известно, что если посмотреть внутрь прямоугольного волновода, передающего сигнал частотой 10 или более ГГц, мощностью около 2 Вт, то неминуемо произойдет повреждение сетчатки глаза, даже если продолжительность воздействия составит менее секунды. Антенны мобильных устройств и точек доступа являются источниками высокочастотного излучения, и хотя мощность излучаемого сигнала очень невелика, все же не следует находиться в непосредственной близости от работающей антенны. Как правило, безопасным расстоянием является расстояние порядка десятков сантиметров от приемо-передающих частей. Более точное значение можно найти в руководстве к конкретному прибору.

Дальнейшее развитие

В настоящее время разрабатываются два конкурирующих стандарта на беспроводные сети следующего поколения - стандарт IEEE 802.11a и европейский стандарт HIPERLAN-2, который был подробно рассмотрен в предыдущем пункте реферата. Оба стандарта работают во втором ISM диапазоне, использующем полосу частот в районе 5 ГГц. Заявленная скорость передачи данных в сетях нового поколения составляет 54 Mbps.

Производители устройств 802.11b

На сегодняшний день наиболее известными и популярными производителями на рынке WaveLAN решений являются компании Lucent (серия ORiNOCO) и Cisco (серия Aironet). Помимо них существует достаточно большое количество компаний, производящих 802.11b совместимое оборудование. К их числу можно отнести такие компании, как 3Com (серия 3Com AirConnect), Samsung, Compaq, Symbol, Zoom Telephonics и пр. В следующей части статьи мы рассмотрим характеристики серий ORiNOCO компании Lucent и Aironet компании Cisco, а затем произведем тестирование обоих серий.

Оборудование беспроводного доступа: адаптер Lucent ORiNOCO USB

Поговорим о продуктах для построения беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11b. В большинстве своем это адаптеры для шины PCMCIA/PC Card, удобные для применения в ноутбуках. А вот использование их в настольных ПК приводило к значительным неудобствам - приходилось использовать дополнительные контроллеры.

Наиболее удачное решение этой проблемы - построение контроллера для шины USB. Поскольку скорость передачи данных порядка 11Mbit/sec, то шина USB, уже ставшая стандартной для настольных ПК, со своей пропускной способностью в 12Mbit/sec и возможностью передачи устройству и напряжения питания, как нельзя лучше подходит для этой цели. Изготовление таких устройств было анонсировано уже давно, но только недавно они наконец появились у нас.

Сегодня мы рассмотрим устройство беспроводный сетевой адаптер Lucent ORiNOCO USB Client Silver, или проще говоря, IEEE 802.11b контроллер на шину USB. Хотя, если быть точнее, беспроводная продукция Lucent теперь производится под маркой Agere Systems, а на продукции пишется, что она от компании Avaya Communication. В общем, дело темное. Но для пользоватеся главное, что все это разрабатывалось Lucent, и поэтому отличается хорошим качеством и отличной поддержкой.

Он удачно дополняет серию продуктов Lucent ORiNOCO, состоящую из PC Card адаптеров (для ноутбуков и PDA) с ISA/PCI переходниками (для настольных ПК), точек доступа Access Point (для подключения к проводной сети), внешних антенн:

Рис. 14. Серия продуктов Lucent ORiNOCO

Технические параметры устройства практически совпадают с характеристиками PCMCIA собратьев:

Стандарт IEEE 802.11b, Wi-Fi

Частотный диапазон: 2400-2500 MHz

Количество частотных каналов: 11

Скорости: 11, 5.5, 2, 1Mbit/sec

Поддержка 64 и 128 бит (в "Gold" версии) WEP шифрования

Дальность работы

Таблица 4. Дальность работы.

11 Mbit/s	5.5 Mbit/s	2 Mbit/s	1 Mbit/s
Open Office	160 m	270 m	400 m	550 m
Semi Open Office	50 m	70 m	90 m	115 m
Closed Office	25 m	35 m	40 m	50 m

Рис. 15. Беспроводный адаптер Lucent ORiNOCO USB

Выходная мощность: 15 dBm

Внешний интерфейс: USB 1.1

Отличия касаются в основном физических размеров и энергопотребления:

Размер (ДхВхШ): 63х89х145мм

Вес: 170г

Энергопотребление: Doze mode 10 mA, Receiver mode 245 mA, Transmit mode 360 mA

И программной поддержки, которая в настоящий момент обеспечивается только в Windows 98/ME/2000.

Устройство поставляется в небольшой коробке, в которую входят, кроме адаптера, описание, компакт диск с драйверами, программами и дополнительной документацией, а также USB провод длинной 1м.

Благодаря энтузиастам из компании "Диджитал Нэйчур", мы уже знаем, что на самом деле устройство не является полностью новой разработкой, а представляет собой обычную карточку ORiNOCO PC Card Silver, установленную в адаптер PCMCIA для шины USB:

Рис. 16. Карточка ORiNOCO PC Card Silver

В принципе такая технология не нова - большинство точек доступа (Access Point) для беспроводных сетей построены аналогичным образом - они представляют собой микрокомпьютеры, в которые установлены беспроводные карты стандарта PCMCIA. Такой подход позволяет сократить время и деньги на разработку, но повышает конечную стоимость продукта.

В USB адаптере Lucent используются два чипа компании Cypress Semiconductor: EZ-USB FX контроллер CY7C64613 и микросхема памяти в 32Kb. Главный чип совмещает в себя контроллер USB шины, процессор, линии ввода-вывода. Он совместим со стандартами USB 1.1 и 2.0, однако ждать от 24 или 48MHz процессора 8051 большой скорости работы не приходится. Заметим, что использовать отдельно от PCMCIA карты Lucent этот USB контроллер нельзя.

Устройство имеет небольшой размер, его легко установить на любой поверхности, хотя провод USB немного жестковат и может создать трудности при ориентации адаптера для получения максимального качества связи. Около основания имеются два светодиода. Один индицирует подачу питания на устройство, второй активность беспроводной сети. Хотя внимательное наблюдение показало, что и первый светодиод меняет цвет во время работы сети. Как вы помните, PCMCIA адаптер также имеет два светодиода на своем корпусе. Однако они не выведены наружу в USB варианте. Также как и выход на внешнюю антенну - в принципе можно сделать отверстие в корпусе и подвести ее, но официально это не предусмотрено.

Установка адаптера (как и большинства USB устройств) очень проста, единственным непонятным моментом оказались запакованные драйвера для Windows 2000, поэтому их нужно было сначала специально "инсталлировать" на ПК с использованием собственной программы установки. Немного насторожил описанный в документации процесс замены вышедшего из строя адаптера - драйвера при установке привязываются к конкретному адаптеру и при его замене необходимо их переустановить. Я попробовал поменять PCMCIA карту в USB адаптере, при этом процессе пришлось только перезагрузить Windows 2000, так что, возможно, данная проблема искусственна.

Так как каждый порт USB допускает максимально энергопотребление в 500mA, то адаптер, потребляющий по спецификации 360mA может спокойно работать. Однако посмотрев в свойствах USB контроллера, сколько потребляет Lucent ORiNOCO USB, я увидел цифру в 420mA. Это заметно больше, чем в спецификации, однако контроллер может устанавливать эту цифру с запасом. Кстати, одновременная работа беспроводного адаптера и переносного жесткого диска, не смотря на то, что по данным системы потребление в сумме достигло 520mA, проблем не вызвала.

При работе устройства в Windows 2000 никаких проблем с несовместимостью или конфликтов с другим оборудованием замечено не было. Отметим также реально работающую возможность выключения/включения адаптера без перезагрузки системы. Похоже, что с поддержкой USB в операционных системах Microsoft становится все лучше - при отключении адаптера в Windows 98SE, система вела себя совсем некрасиво - зависала, показывала GPF и все такое.

Поскольку устройство построено на основе той же PCMCIA карты, то такие параметры, как качество связи и дальность работы абсолютно не отличаются от других адаптеров. Пожалуй, единственным интересным моментом является скорость. Измерения показали, что скорость передачи данных меньше, чем для PCMCIA карты - примерно 600Kb/sec против 700Kb/sec. Причин может быть несколько. Первая это, конечно, драйвера. Сейчас доступна только их вторая версия, а зная отношение к таким вещам компании Lucent, можно ожидать реального прироста скорости в следующих версиях. Второй могут быть USB драйвера самой системы. Поскольку мы знаем, что есть реально работающие устройства со скоростью передачи по USB порядка 900Kb/sec (например жесткие диски и CDRW), то конечно хочется большего и от Lucent ORiNOCO USB, но возможно ограничивающим фактором выступает и переходник USB-PCMCIA.

Протокол МАС - Беспроводный доступ к Интернет

Похожие статьи