Беспроводные локальные сети

Идея создания беспроводных сетей начала активно воплощаться в жизнь с появлением портативных компьютеров. Первоначально беспроводные сети различных производителей были несовместимы, а затем появился стандарт 802.11, широко известный под прозвищем WiFi.

Данный стандарт предусматривает возможность работы в двух режимах:

- с базовой станцией,

- без базовой станции.

Базовая станция согласно стандарту называется точкой доступа.

Ко времени начала процесса стандартизации (середина 90-х) Ethernet уже играл доминирующую роль среди технологий ЛВС, поэтому было решено сделать стандарт 802.11 совместимым с Ethernet, в частности посылать IP-пакеты по беспроводной сети тем же способом, как по сети Ethernet.

Первый стандарт (802.11) появился в 1997 году и предусматривал скорость 2 Мбит/с. В 1999 году – IEEE 802.11a – 54 Мбит/с.

Физический уровень

1. Передача в инфрARPасном диапазоне (те же, что в пультах ДУ) используются длины волн 0,85 или 0,95 мкм. Возможны две скорости 1 Мбит/с и 2 Мбит/с. ИК сигналы не проникают сквозь стены и ослабевают при ярком солнечном свете.

2. В методе FHSS (передача широкополосных сигналов по методу частотных скачков) используются 79 каналов шириной 1 МГц каждый, начиная с 2,4 ГГц. При передаче данных частота периодически изменяется случайным образом через промежуток времени, называемый временем пребывания. Время пребывание – настраиваемая величина, но не более 400 мс. Подобные скачки помогают частично решить проблему несанкционированного прослушивания, а также способствуют равномерному использованию всего диапазона. Главный недостаток – низкая пропускная способность.

3. DSSS – передача широкополосного сигнала по методу прямой последовательности. Скорости так же ограничены 1 и 2 Мбит/с. Каждый бит передается в виде 11 элементарных сигналов, которые называются последовательностью Баркера.

4. OFDM – ортогональное частотное уплотнение. Скорость – 54 Мбит/с. Используется 52 частоты, из них 48 – для данных, 4 – для синхронизации. Имеет сложную систему кодирования.

5. HR-DSSS – высокоскоростная передача широкополосного сигнала по методу прямой последовательности. Скорости: 1,2, 5,5 и 11 Мбит/с динамически изменяются для достижения оптимальных результатов при имеющихся зашумленности и загруженности. Применяется код Уолша-Адамара.

Протокол подуровня MAC

При использовании беспроводных сетей не все станции могут слышать друг друга, передача, идущая в одной части соты, может быть просто не воспринята станцией, находящейся в другой ее части. Станция С передает данные станции В. Если станция А прослушает канал, она может не обнаружить сигнал и сделает ложный вывод о том, что она имеет право начать передачу станции В. Есть и обратная проблема: В хочет отправить данные для станции С и прослушивает канал. Услышав, что в нем уже осуществляется какая-то передача, станция В делает ложный вывод о том, что передача для С сейчас невозможна. 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. Как бороться с этой проблемой?

Стандарт 802.11 поддерживает два режима работы.

1. DCF (распределенная координация) - не имеет никаких средств централизованного управления. В режиме DCF 802.11 использует протокол, называемый CSMA/CA (CSMA с предотвращением коллизий). Здесь ведется прослушивание как физического, так и виртуального канала. 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 (используется двоичный экспоненциальный откат) и затем снова пытаются отправить кадр.
Другой режим CSMA/CA использует контроль виртуального канала. Перед отправкой данных станция запрашивает разрешение у получателя, и только получив положительных ответ, запускает таймер и начинает передачу. После приема получатель отправляет подтверждение. Если отправитель не получит подтверждения до срабатывания таймера, то

весь алгоритм работы протокола повторяется с самого начала. В противоположность проводным каналам, беспроводные шумны и ненадежны, в какой-то степени из-за СВЧ-печей, работающих в том же диапазоне. В результате вероятность корректной передачи кадра уменьшается пропорционально увеличению длины кадра. Если вероятность ошибки в одном бите равна р, то вероятность того, что n-битный кадр будет принят корректно, равна (1-р)n. Например, для р=10-4 вероятность корректной передачи полного Ethernet-кадра длиной 12 144 бит составляет менее 30 %.

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). Фрагментация повышает производительность путем принудительной повторной пересылки коротких отрезков кадров, в которых произошла ошибка, а не кадров целиком. Размер фрагмента не зARPепляется стандартом, а является настраиваемым параметром каждой ячейки беспроводной сети и может оптимизироваться базовой станцией.

2. Второй режим, PCF (сосредоточенная координация), подразумевает, что базовая станция берет на себя функцию управления активностью всех станций данной соты. Базовая станция опрашивает все подчиненные ей станции, выявляя те из них, которые требуют предоставить им канал. Порядок «выступлений» полностью и централизованно координируется базовой станцией, поэтому коллизии исключены. 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, 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.

Все реализации стандарта должны поддерживать DCF, тогда как PCF является дополнительной возможностью. Режимы DCF и PCF могут сосуществовать даже внутри одной соты сети.

Структура кадра

Стандарт 802.11 определяет три класса кадров, передаваемых по каналу: информационные, служебные и управляющие. Все они имеют заголовки с множеством полей, используемых подуровнем МАС. Кроме того, есть поля, используемые физическим уровнем, но они в основном относятся к методам модуляции, поэтому мы их рассматривать не будем.

Формат информационного кадра:

Поле Управление кадром содержит 11 вложенных полей. Первое из них — Версия протокола, именно оно позволяет двум протоколам работать одновременно в одной ячейке сети.

Поля Тип (информационный, служебный или управляющий) и Подтип (например, RTS или CTS). Биты К DS и От DS говорят о направлении движения кадра: к межсотовой системе распределения или от нее. Бит MF говорит о том, что далее следует еще один фрагмент. Бит Повтор маркирует повторно посылаемый фрагмент. Бит Питание используется базовой станцией для переключения станции в режим пониженного потребления или выхода из этого режима. Бит Продолжение говорит о том, что вообще-то у отправителя имеются еще кадры для пересылки. Бит W является индикатором использования шифрования в теле кадра по алгоритму WEP (протокол обеспечения конфиденциальности). Наконец, О говорит приемнику о том, что кадры с этим битом должны обрабатываться строго по порядку.

Поле Длительность задает время, которое будет потрачено на передачу кадра и подтверждения. Заголовок кадра содержит также четыре адреса: адреса отправителя и получателя, адреса исходной и целевой ячеек при передаче трафика между ячейками (кадры могут входить в ячейку или покидать ее через базовую станцию).

Поле Номер позволяет нумеровать фрагменты. Из 16 доступных бит 12 идентифицируют кадр, а 4 — фрагмент.

Поле Данные содержит передаваемую по каналу информацию, его длина может достигать 2312 байт. В конце, как обычно, расположено поле Контрольная сумма.

Управляющие кадры имеют формат, сходный с форматом информационных кадров, за одним исключением: в управляющем кадре отсутствуют поля базовых станций, поскольку таким кадрам незачем выходить за пределы соты. Служебные кадры гораздо короче: в них содержится один или два адреса, отсутствуют поля Данные и Номер. Ключевой здесь является информация, содержащаяся в поле Подтип. Значениями обычно являются RTS, СТS или АСК.

Сервисы

Беспроводные ЛВС должны предоставлять девять типов сервисов (услуг). Их можно разделить на две категории: сервисы распределения (к ним относятся пять из девяти) и станционные (соответственно, четыре сервиса). 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.

Пять сервисов 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. Ниже перечислены сервисы распределения.

1. Ассоциация. Этот сервис используется мобильными станциями для подключения к базовым станциям (БС), он применяется сразу же после вхождения в зону действия БС. Мобильная станция передает идентификационную информацию и сообщает о своих возможностях (поддерживаемой скорости передачи данных и др.) и требованиях по управлению электропитанием. Базовая станция может принять или отвергнуть мобильную станцию. Если последняя принята, она должна пройти идентификацию.

2. Дизассоциация. По инициативе мобильной или базовой станции может быть произведена дизассоциация, то есть разрыв отношений. Это требуется при выключении станции или ее уходе из зоны действия БС. Базовая станция также может быть инициатором дизассоциации, если, например, она выключается для проведения технического обслуживания.

3. Реассоциация. С помощью этого сервиса станция может сменить БС. Данная услуга используется при перемещении станции из одной соты в другую. Если она проходит корректно и без сбоев, то при переходе никакие данные не теряются.

4. Распределение. С помощью этой услуги определяется маршрутизация кадров, посылаемых базовой станции. Если адрес назначения является локальным с точки зрения БС, то кадры следуют просто напрямую.

5. Интеграция. Если кадру нужно пройти через сеть, не подчиняющуюся стандарту 802.11 и использующую другую схему адресации и/или формат кадра, то на помощь приходит данный сервис. Он реализует трансляцию форматов.

Оставшиеся четыре сервиса — это внутренние услуги соты. Они предоставляются после прохождения ассоциации:

1. Идентификация. Поскольку беспроводные коммуникации подразумевает очень легкое подключение к сети и возможность приема/отправки любыми станциями, попавшими в зону действия БС, то возникает необходимость идентификации. Только после идентификации станции разрешает обмен данными. После принятия мобильной станции в ряды текущих абонентов соты базовая станция посылает специальный кадр запроса пароля. Подтверждение осуществляется путем шифрования кадра запроса и отсылки и назад базовой станции. Если шифрование выполнено корректно, станция получает права доступа к сети.

2. Деидентификация. Если станция, работавшая в сети, покидает ее, она должна произвести деидентификацию. После выполнения данного сервиса она больше не сможет использовать ячейку.

3. Конфиденциальность. Данный сервис осуществляет операции по шифрации и дешифрации информации. Применяется алгоритм RC4.

4. Доставка данных - этот сервис является ключевым. Доставка данных не является гарантированной на 100 %. Обнаруживать и исправлять ошибки поручено верхним уровням.

Bluetooth

В 1994 году была сформирована группа, которая занялась развитием стандарта беспроводной связи вычислительных устройств и устройств связи. Проект был назван Bluetooth («Синий зуб») в честь великого короля викингов по имени Гаральд Синий Зуб II (940-981), который объединил (завоевал) Данию и Норвегию. Ну да, он тоже сделал это без помощи проводов.

Изначально идея состояла в том, чтобы избавиться от кабелей между устройствами, однако затем системы стали расширяться и вторгаться во владения беспроводных ЛВС. Поскольку такой поворот событий действительно делает стандарт более полезным, его даже стали прочить в конкуренты стандарту 802.11.

Специальная группа Bluetooth выпустила в июле 1999 года 1500-страничную спецификацию V1.0. Вскоре после этого группа стандартизации ШЕЕ взяла данный документ за основу стандарта 802.15 (персональные сети). Необходимо сделать одно уточнение: спецификация Bluetooth охватывает систему, от физического до прикладного уровня. Комитет IEEE 802.15 занимается стандартизацией только лишь физического уровня и уровня передачи данных; часть стека протоколов, касающаяся других уровней, не входит в его компетенцию.

В 2002 году был утвержден первый стандарт персональных сетей, 802.15.1.

Архитектура Bluetooth

Основу Bluetooth составляет пикосеть (piconet), состоящая из одного главного узла и нескольких (до семи) подчиненных узлов, расположенных в радиусе 10 м. В одной и той же комнате, если она достаточно большая, могут располагаться несколько пикосетей. Они могут даже связываться друг с другом посредством моста (специального узла). Несколько объединенных вместе пикосетей составляют рассеянную сеть (scatternet).

Помимо семи активных подчиненных узлов, один главный узел может поддерживать до 255 так называемых отдыхающих узлов. Это устройства, которые главный узел перевел в режим пониженного энергопотребления — за счет этого продлевается ресурс их источников питания. В таком режиме узел может только отвечать на запросы активации или на сигнальные последовательности от главного узла. Существуют еще два промежуточных режима энергопотребления - приостановленный и анализирующий, но мы их сейчас рассматривать не будем.

Такое решение с главным и подчиненным узлами оказалось очень простым и дешевым в реализации. Поскольку этого и добивались разработчики, такой вариант и был принят. Последствием этого является то, что подчиненные узлы лишь выполняют то, что им прикажет главный узел. В основе пикосетей лежит принцип централизованной системы с временным уплотнением. Главный узел контролирует временные интервалы и распределяет очередность передачи данных каждым из подчиненных узлов. Связь существует только между подчиненным и главным узлами. Прямой связи между подчиненными узлами нет.

Приложения Bluetooth

Большинство сетевых протоколов просто предоставляют каналы связи между коммуникационными единицами и оставляют прикладное использование этих каналов на усмотрение разработчиков. Например, в стандарте 802.11 ничего не говорится о том, что пользователи должны использовать свои ноутбуки для чтения электронной почты, работы в Интернете и т. п. В противоположность этому спецификация Bluetooth называет 13 конкретных поддерживаемых приложений и для каждого из них предоставляет свой набор протоколов. К сожалению, это приводит к сильному усложнению системы. Тринадцать приложений, называемые профилями.

Набор протоколов

Стандарт Bluetooth включает в себя множество протоколов, довольно свободно разбитых на уровни. Структура стека протоколов не следует ни модели OSI, ни TCP/IP, ни 802, ни какой-либо другой известной модели. Тем не менее, IEEE работает над тем, чтобы вписать Bluetooth в модель 802.

1. Уровень радиосвязи (физический уровень)

Переносит информацию побитно от главного узла к подчиненным и обратно. В реальности это маломощная приемопередающая система с радиусом действия порядка 10 м. Она работает в нелицензируемом диапазоне 2,4 ГГц. Диапазон разделен на 79 каналов по 1 МГц в каждом. В качестве метода модуляции применяется частотная манипуляция с 1 битом на герц, что дает суммарную скорость 1 Мбит/с. Однако большая часть спектра занята служебной информацией. Для распределения каналов применяется расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (1600 скачков частоты в секунду, время пребывания — 625 мкс). Все узлы пикосетей перестраивают частоты одновременно; последовательность частот генерируется главным узлом.

Поскольку сети 802.11 и Bluetooth работают в одном и том же нелицензируемом диапазоне 2,4 ГГц на одних и тех же 79 каналах, то они интерферируют друг с другом. IЕЕЕ пытается найти выход из этой пикантной ситуации, но обе системы используют данный диапазон по той причине, что он не подлежит лицензированию. Стандарт 802.11а работает в другом нелицензируемом диапазоне (5 ГГц), но он гораздо уже, из-за физических свойств радиоволн.

2. Немодулированная передача (уровень передачи данных).

Уровень немодулированной передачи – самый близкий к MAC-уровню. Он трансформирует простой поток бит в кадры и определяет некоторые ключевые форматы. В простейшем случае главный узел каждой пикосети выдает последовательности временных интервалов по 625 мкс, причем передача данных со стороны главного узла начинается в четных тактах, а со стороны подчиненных узлов — в нечетных. Кадры могут быть длиной 1, 3 или 5 тактов.

Тактирование со скачкообразным изменением частоты отводит на успокоение системы 250-260 мкс при каждом скачке. Время успокоения можно и уменьшить, но цена за это довольно велика. Все кадры передаются между главным и подчиненными узлами по логическому каналу, называемому соединением. Существует два типа соединений. Первый называется ACL (асинхронный без установления связи), он используется для коммутации пакетов данных, которые могут появиться в произвольный момент времени. Трафик ACL доставляется по принципу максимальных прилагаемых усилий для обеспечения сервиса. Никаких гарантий не дается. Кадры могут теряться и пересылаться повторно. У подчиненного узла может быть только одно соединение со своим главным узлом.

Второй вид соединения называется SCO (синхронный с установлением связи). Он предназначен для передачи данных в реальном масштабе времени — это требуется, например, при телефонных разговорах. Такой тип канала получает фиксированный временной интервал для передачи в каждом из направлений. Кадры, переданные по данному типу канала, никогда не пересылаются заново. Вместо этого может быть использована прямая коррекция ошибок, обеспечивающая более надежное соединение. У подчиненного узла может быть до трех соединений типа SCO с главным узлом, каждое из которых представляет собой аудиоканал РСМ с пропускной способностью 64 000 бит/с.

3. Связующий уровень.

Включает несколько подуровней:

а) Протокол управления соединением, устанавливающий логические каналы между устройствами, управляющий режимами энергопотребления, идентификацией, качеством предоставляемых услуг.

б) Подуровень адаптации протоколов управления логическими соединениями (часто называемый L2CAP) скрывает от верхних уровней технические детали нижних уровней. L2CAP принимает пакеты с верхних уровней, разбивает их на кадры для передачи по физическому каналу, а после приема формирует из кадров пакеты. Кроме того, он обеспечивает качество обслуживания.

В) Аудиопротоколы и протоколы управления, как следует из их названия, занимаются соответственно передачей звука и управлением. Приложения могут обращаться к ним напрямую, минуя протокол Ь2САР.

Связующий уровень содержит множество разнообразных протоколов. Для совместимости с сетями 802.x включен LLC. Протокол ВЧ-связи эмулирует работу стандартного последовательного порта ПК, к которому обычно подключаются клавиатура, мышь, модем и другие устройства. Это позволяет обходиться без проводов. Протокол телефонии является протоколом, работающим в реальном масштабе времени для установки и разрыва телефонного соединения. Протокол определения сервисов используется для поиска доступных в сети сервисов.

4. Приложения, профили (прикладной уровень).

Структура кадра

Существует несколько форматов кадра. Наиболее важный:

В начале кадра указывается код доступа, который обычно служит идентификатором главного узла. Это позволяет двум главным узлам, которые расположены близко, различать, кому из них предназначаются данные. Затем следует 54-битный заголовок, в котором содержатся поля, характерные для кадра подуровня МАС. Далее расположено поле данных, размер которого ограничен 2744 битами (для передачи из пяти тактов). Если кадр имеет длину, соответствующую одному тактовому интервалу, то формат остается таким же, с той разницей, что поле данных в этом случае составляет 240 бит.

Рассмотрим, из чего состоит заголовок кадра.

Поле Адрес идентифицирует одно из восьми устройств, которому предназначена информация. Поле Тип определяет тип передаваемого кадра (ACL, SCO, опрос или пустой кадр), метод коррекции ошибок и количество временных интервалов, из которых состоит кадр.

Бит F (Flow — поток) выставляется подчиненным узлом и сообщает о том, что его буфер заполнен. Это такая примитивная форма управления потоком.

Бит А (Acknowledgement — подтверждение) представляет собой подтверждение (АСК), отсылаемое заодно с кадром.

Бит S (Sequence — последовательность) используется для нумерации кадров, что позволяет обнаруживать повторные передачи. Это протокол с ожиданием, поэтому 1 бита действительно оказывается достаточно.

Далее следует 8-битная контрольная сумма заголовка. Весь 18-битный заголовок кадра повторяется трижды, что в итоге составляет 54 бита. На принимающей стороне несложная схема анализирует все три копии каждого бита. Если они совпадают, бит принимается таким, какой он есть. В противном случае все решает большинство.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: