Беспроводной Ethernet

Эфирная сеть выходит в эфир.

Несмотря на то что портативные компьютеры и раньше могли связаться с внешним миром при помощи модема, такое решение все же не позволяло сделать их полностью мобильными, так как оно требовало наличия проводного соединения. Чтобы быть по-настоящему мобильными, портативные компьютеры должны использовать для связи радио- (или инфракрасные) сигналы. Вместе с тем, отсутствие независимого от производителя стандарта на беспроводные локальные сети сдерживало распространение этой технологии. Комитет 802.11 занялся разработкой стандарта еще в самом начале 90-х годов, но окончательная версия была одобрена лишь в июне 1997 года.

На Западе беспроводные сети нашли широкое применение на таких вертикальных рынках, как здравоохранение, розничная торговля, производство, где работникам приходится часто перемещаться с места на место, при этом им по-прежнему необходим доступ в сеть для передачи и получения информации. В России помимо кризиса указанных сфер экономики (за исключением, пожалуй, торговли) внедрение беспроводных технологий для локальных сетей сдерживалось еще и тем, что, в отличие от всего мира, частота 2,4 ГГц у нас не была открыта для использования.

Стандарт 802.11 определяет физический (уровень 1 в модели OSI) и MAC- (нижний подуровень канального уровня) уровни, причем в качестве физической среды передачи он позволяет использовать как инфракрасное излучение, так и радиоволны (см. Рисунок 1). С принятием стандарта 802.11 технология Et-hernet стала еще более универсальной.

ПРОБЛЕМА СКРЫТОГО УЗЛА

Ввиду особенностей среды передачи, беспроводная локальная сеть имеет несколько иные свойства, нежели традиционная кабельная локальная сеть, поэтому и на подуровне MAC протокол множественного доступа с обнаружением несущей (Carrier Sense Multiple Access, CSMA) не может использоваться в том виде, какой он имеет в проводном Ethernet - вместо обнаружения (Collision Detect, CD) он предусматривает предотвращение коллизий (Collision Avoidance, CA).

Стандарт 802.11 базируется на предложенном еще в 1990 году Карном протоколе множественного доступа с предотвращением коллизий (Multiple Access with Collision Avoidance, MACA). В типичной конфигурации беспроводная сеть представляет собой совокупность распределенных по зданию офиса базовых станций и мобильных клиентов (о возможных конфигурациях мы поговорим ниже). Если мощность передатчиков базовых станций и клиентов позволяет передавать сигнал на расстояние 3-4 метра, то каждая комната представляет собой как бы отдельную ячейку, или сот, а все здание - сотовую систему. Однако, в отличие от сотовых телефонных систем, здесь каждая ячейка имеет только один канал, причем он занимает весь доступный диапазон рабочих частот.

При нахождении приемника в радиусе действия двух активных передающих устройств из-за наложения сигнал оказывается испорчен. Кроме того, зачастую станции могут находиться вне пределов зоны действия друг друга, а это ведет к дополнительным сложностям. Первое, что приходит в голову, - попытаться воспользоваться CSMA и передавать сигнал только тогда, когда эфир свободен. Однако не все так просто. Например, если станция A передает сигнал станции B, а станция C находится вне радиуса действия станции A, то C не зафиксирует передачи и ошибочно заключит, что она может передавать данные. В результате передача C вмешается в передачу A, и B не сможет принять кадр от A. Невозможность зафиксировать передачу потенциального конкурента ввиду чрезмерной его удаленности называется проблемой скрытого узла. Мы можем рассмотреть и обратную ситуацию. Пусть B передает A, и C слышит этот сигнал. В результате она может отказаться от передачи вообще, хотя ее передача никак не повлияет на прием станцией A, так как последняя находится за пределами радиуса действия передатчика C. Эта проблема называется "проблема слышащей станции". Иногда в англоязычной литературе она именуется "проблема захвата" (capture problem).

CSMA позволяет определить, что вблизи передающей станции никакой активности в эфире не наблюдается, тогда как ей, вообще говоря, требуется знать, что активность отсутствует вблизи принимающей станции. По проводам сигналы достигают всех станций, так что в любой конкретный момент времени передачу может осуществлять только одна станция. В системах с небольшим радиусом действия передатчиков несколько станций могут вести передачу одновременно, если у них разные адресаты и если эти адресаты находятся вне зоны действия друг друга.

Идея предложенного Карном протокола состоит в следующем. Собирающаяся передать данные станция посылает сначала короткий кадр (Request to Send, RTS), в ответ на который принимающая станция отправляет подтверждение о готовности приема данных (Clear to Send, CTS). Все находящиеся поблизости станции услышат этот обмен пакетами и воздержатся от собственной передачи данных. Если станция слышит RTS, то она находится вблизи передающей станции и должна воздержаться от собственной передачи до получения передающей станцией подтверждения о возможности передачи. Если же станция слышит CTS, то она находится вблизи принимающей станции и должна воздержаться от собственной передачи на время всей последующей передачи данных. Например, как изображено на Рисунке 2, станция C слышит только RTS, станция D - только CTS, а станция E - и тот и другой сигналы. Таким образом, станции D и E должны молчать, тогда как станция C может вести передачу после прохождения CTS. Однако это не предотвращает коллизий, так как два запроса RTS могут быть отправлены одновременно разными станциями. В результате одна из них (или даже обе) не получит ответа CTS за предопределенный интервал времени, после чего она станет ждать случайное время в соответствии с алгоритмом экспоненциального отката, прежде чем попытается повторить передачу.

ПОДУРОВЕНЬ MAC 802.11

Канальный уровень (второй уровень модели OSI) состоит из двух подуровней. Верхний подуровень управления логическим каналом (Logical Link Control, LLC) является общим для различных технологий локальных сетей - Ethernet (802.3), Token Bus (802.4), Token Ring (802.5). Он остается неизменным и в случае беспроводного Ethernet. Отличие же проявляется на подуровне контроля доступа к среде (Media Access Control, MAC). В стандарте 802.11 он называется методом доступа к беспроводной среде передачи с распределенной базой (Distributed Foundation Wireless MAC, DFWMAC).

Основным методом доступа в 802.11 MAC является распределенная координационная функция (Distributed Coordination Function, DCF) или CSMA/CA. 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 и CTS. 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 (см. Рисунок 3). 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.

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. Обратим также внимание на то, что в окончательном варианте протокола все станции должны воздерживаться от передачи, если они слышат RTS или CTS.

Стандарт предусматривает две возможные архитектуры сети: постоянная сеть (Infrastructure Network) и временная сеть (Ad Hoc Network). Постоянная сеть имеет проводную инфраструктуру с точками доступа, через которые беспроводные клиенты могут взаимодействовать с обычной сетью. Точка доступа вместе с находящимися в радиусе ее действия клиентами называется базовым сервисным комплексом (Basic Service Set, BSS). Временная сеть позволяет организовать взаимный обмен информацией непосредственно между беспроводными клиентами. Создаваемая на временной основе, такая сеть не поддерживает доступ к проводной сети и не нуждается в использовании точек доступа (см. Рисунок 4).

ТРИ КИТА

На физическом уровне стандарт 802.11 определяет три различных метода передачи: две технологии радиочастотной передачи в размытом спектре и одну технологию инфракрасной передачи. Здесь мы рассмотрим только первые два метода, поскольку большинство выпускаемых продуктов используют именно их.

Технология размытого спектра известна еще со времен второй мировой войны. Как следует из названия, передаваемый сигнал "размазан" по широкому частотному диапазону. Она получила распространение благодаря устойчивости к вражеским помехам. Очевидно, что эта особенность технологии актуальна и для современного бизнеса, так как компаниям приходится зачастую доверять радиоволнам важную конфиденциальную информацию.

IEEE определяет два вида технологии размытого спектра: прямой последовательности и скачущей частоты. Оба они определены в диапазоне от 2,4 до 2,4835 ГГц (данный диапазон во многих странах мира является безлицензионным) и обеспечивают возможность передачи со скоростью 1 или 2 Мбит/с (в зависимости от зашумленности эфира).

Технология прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) предусматривает модуляцию исходных данных с помощью широкополосного сигнала. Приемнику известен модулирующий сигнал, поэтому он может восстановить исходный сигнал. Первоначально многие выпускаемые продукты были рассчитаны на работу в диапазоне от 902 до 928 МГц. Однако во многих странах этот диапазон требовал получения лицензии на использование, к тому же он был слишком узок и вскоре оказался чересчур зашумлен. Диапазон же на частоте 2,4 ГГц более широк, чем при 900 МГц.

Технология скачущей частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) предусматривает передачу коротких серий данных на одной частоте, затем на другой, потом на третьей и т. д. Конкретная последовательность используемых частот называется последовательностью скачков и должна быть синхронизирована между передающей и принимающей станциями, иначе они не смогут услышать друг друга. Кроме того, она позволяет осуществлять несколько обменов данными одновременно в одном и том же диапазоне частот - постольку поскольку каждый пользователь работает со своей уникальной последовательностью частот. Благодаря этому обстоятельству она более рационально использует доступный диапазон частот.

Американская федеральная комиссия по связи требует, чтобы в случае FHSS последовательность скачков имела не менее 75 различных частот, а передача на какой-либо конкретной частоте длилась не более 400 мс. При наличии помех на какой-либо частоте передача данных повторяется на следующей частоте.

Системы на базе DHSS и FHSS не могут взаимодействовать друг с другом ввиду различия применяемых методов передачи. В большинстве случаев компании придется ограничиться каким-либо одним методом.

ОТКРЫТЫЙ ДОСТУП

Вопрос лицензирования частот оставался, наверное, самым болезненным при применении беспроводных технологий, так как в отличие от всего мира в России диапазон 2,4 ГГц является закрытым. Совсем недавно, благодаря усилиям общественных и коммерческих организаций и содействию Комитета по информационной политике и связи Государственной Думы Российской Федерации, вопрос этот удалось решить. Государственный Комитет по радиочастотам принял постановление "Об условиях использования радиочастот в диапазоне 2400-2483,5 МГц". Согласно этому решению, юридическим и физическим лицам разрешается использование отдельных радиочастот в пределах указанного диапазона без оформления решения ГКРЧ в каждом конкретном случае.

Принятие стандарта решило далеко не все вопросы. Например, стандарт не определяет, как одна точка доступа будет передавать своего беспроводного клиента другой точке доступа при его выходе за пределы радиуса ее действия, т. е. как беспроводная сеть будет поддерживать роуминг.

Стандарт продолжает эволюционировать и дальше. Так, рабочая группа 802.11 планирует заняться подготовкой спецификаций на передачу со скоростью 10 Мбит/с в диапазоне 5,2 ГГц.