Архитектура и принцип работы беспроводных сетей и систем связи (стр. 3 )

Более того, в случае необходимости любой slave в piconet может стать master. Естественно, старый master при этом становится slave. Таким образом, в scatternet могут объединяться столько Bluetooth устройств, сколько необходимо, логические связи могут образовываться так, как это требуется, и могут изменяться как угодно, в случае необходимости.

В стандарте Bluetooth предусмотрена дуплексная передача на основе разделения времени - Time Division Duplexing (TDD). Master передает пакеты в нечетные временные сегменты, а slave - в четные (рис.1.3.9). Пакеты в зависимости от длины могут занимать до пяти временных сегментов. При этом частота канала не меняется до окончания передачи пакета (рис.1.3.10).

Протокол Bluetooth может поддерживать асинхронный канал данных, до трех синхронных голосовых каналов или канал с одновременной асинхронной передачей данных и синхронной передачей голоса. Синхронное соединение возможна только в режиме «точка-точка». Такой вид связи применяется для передачи информации, чувствительной к задержкам, например голоса. Асинхронное соединение возможно между master и множеством активных slave устройств (режим «точка-многоточка») в пределах одной piconet. Master и slave устройства могут поддерживать только одно асинхронное соединение. Поскольку в piconet могут быть несколько slave устройств, конкретное устройство отправляет пакет основному устройству, только если в предыдущем временном интервале на его адрес пришел пакет от основного устройства. Если в адресном поле пакета не указан адрес доставки, то он считается широковещательным, и его могут читать все устройства. Асинхронное соединение позволяет повторно передавать пакеты, принятые с ошибками.

Стандартный пакет Bluetooth содержит код доступа длиной 72 бита, заголовок длиной 54 бита и информационное поле длиной не более 2745 бит (рис.1.3.11). Однако пакеты могут быть различных типов. Так, пакет может состоять только из кода доступа (в этом случае его длина равна 68 битам) или кода доступа и заголовка.

Код доступа идентифицирует пакеты, принадлежащие одной piconet, а также используется для синхронизации и реализации процедуры запросов. Он включает преамбулу (4 бита), слово синхронизации (64 бита) и трейлер - 4 бита контрольной суммы (рис.1.3.12).

Заголовок содержит информацию для управления связью и состоит из шести полей (рис.1.3.13):

- AM_ADDR. 3- битный адрес активного элемента;

- TYPE. 4- битный код типа данных;

- FLOW. 1 бит управления потоком данных, показывающий готовность устройства к приему;

- ARQN. 1 бит подтверждения правильного приема;

- SEQN. 1 бит, служащий для определения последовательности пакетов;

- HEC. 8- битная контрольная сумма.

Информационное поле в зависимости от типа пакетов может содержать либо поля голоса, либо поля данных, либо оба типа полей одновременно.

С упрощённой схемой стека протоколов Bluetooth и их зависимостью друг от друга можно ознакомиться по приведённой ниже схеме (рис.1.3.14).

В основе всего, как видно из схемы, лежит Baseband protocol. Baseband protocol определяется физическими характеристиками радиоканала.

L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol - протокол управления логическим соединением и адаптации) является базовым протоколом передачи данных для Bluetooth. Baseband protocol позволяет устанавливать синхронные (SCO - Synchronous Connection-Oriented - синхронный, ориентированный на соединение) и асинхронные (ACL - Asynchronous Connection-Less - асинхронный без установления соединения) соединения. L2CAP, как видно из схемы, работает только с асинхронными соединениями. Так же из схемы видно, что многие протоколы и службы более высокого уровня используют L2CAP как транспортный протокол. В полном соответствии с идеологией Bluetooth L2CAP является простым протоколом, который предъявляет минимум требований к вычислительным мощностям и размеру оперативной памяти устройств, которые его используют. Основные особенности, заложенные в L2CAP таковы:

1. Protocol Multiplexing. L2CAP является транспортом для многих протоколов и служб, поэтому он обеспечивает возможность разобраться, к какому протоколу или службе относится переданный пакет, что обеспечивает доставку пакета именно тому, кому его ждёт.

2. Segmentation and Reassembly. Иногда посредством Bluetooth требуется передача больших пакетов. L2CAP обеспечивает его разбивку на несколько более мелких, и последующую сборку первоначального пакета.

3. QoS (Quality of Service - качество предоставляемых услуг). L2CAP поддерживает QoS, что позволяет Bluetooth устройствам отслеживать свободные ресурсы соединения и не позволять, что бы ширина канала или временные задержки для отслеживаемой службы опускались ниже критических значений.

4. Groups. L2CAP поддерживает адресацию не одному клиенту, а сразу целой группе.

Кроме L2CAP непосредствено с Baseband protocol работают LMP (Link Management Protocol- протокол управления) и Voice каналы, используемые для передачи аудиоинформации в синхронном режиме.

LMP является служебным протоколом, используемым для управления каналом, и не использующимся для передачи данных. Сообщения LMP используются для настройки физических характеристик канала, для служб безопасности на уровне физического канала. LMP имеет более высокий приоритет чем остальные протоколы (например, L2CAP), поэтому если канал занят чем-либо другим, то при необходимости передать LMP сообщение он немедленно освобождается.

Voice, или Bluetooth Audio, это одна из служб Bluetooth, которая использует синхронное соединение. Характеристики звуковых потоков могут различаться, и во многом определяются используемым приложением. Максимально звуковой поток может передаваться с точностью в 16 бит при sampling rate 48 кГц. К сожалению, характеристики Bluetooth не позволяют передавать видеоинформацию с нормальным качеством.

Одним из важнейших протоколов Bluetooth, который использует L2CAP в качестве транспортного протокола, является SDP (Service Discovery Protocol - протокол обнаружения сервисов). Сложно представить все возможные способы использования Bluetooth устройств, поэтому при разработке этого протокола пытались учесть как можно больше ситуаций, которые могут возникнуть. Сейчас действует версия 1.0 этого протокола, и основные особенности, которыми он располагает, в настоящее время таковы:

1. SDP должен позволять поиск служб по специальным атрибутам этих служб. Например, если имеется несколько принтеров, доступных через Bluetooth, то клиент должен иметь возможность найти именно тот принтер, который ему нужен;

2. SDP должен позволять клиенту искать службы по классу. Если немного переделать предыдущий пример, то если клиенту понадобится принтер, то должна быть возможность найти именно устройство печати, не зная про него ничего другого;

3. SDP должен позволять просматривать службы без необходимости знать специфические характеристики этих служб. Например, если устройство предоставляющее какую-либо услугу может управляться только специальным программным обеспечением по какому-либо очень редкому или закрытому протоколу, то для SPD это не будет проблемой, всё равно можно будет получить информацию о доступности и названии службы;

4. SDP должен предоставлять возможности для обнаружения новых служб, которые появились за время работы;

5. SDP должен предоставлять возможность узнавать, когда служба становится недоступной из за того, что клиент вышел за пределы связи, или по какой-либо другой причине;

6. SDP позволяет службам, классам служб и атрибутам служб быть однозначно идентифицированными;

7. SDP должен позволять одному устройству находить любую службу на любом другом устройстве без обращения к третьему устройству;

8. SDP должен подходить для использования устройствами с ограниченной функциональностью;

9. SDP должен позволять увеличивать количество доступной информации о службе. Это означает, что если служба требует подробного и объёмного описания своих возможностей, параметров, ограничений и т. п., то вся эта информация не будет вываливаться на всех, кто просто спросит о доступности службы, а будет предоставлена только тем, кто более пристально заинтересуется именно этой службой;

10. SDP должен поддерживать использование промежуточных агентов для ускорения или повышения эффективности процесса поиска новых служб. Этот пункт не противоречит пункту 7, потому что использование третьего устройства возможно, но не обязательно;

11. SDP должен быть полностью независим от протоколов более высокого уровня, используемых Bluetooth соединением;

12. SDP должен работать, когда в качестве его транспортного протокола используется L2CAP;

13. SDP должен позволять находить и использовать службы, которые обеспечивают доступ к другим протоколам обнаружения служб. Это позволяет расширять возможности системы, и использовать службы и устройства которые не имеют Bluetooth интерфейса;

14. SDP должен поддерживать создание и определение новых служб без необходимости централизовано регистрироваться.

Ещё одним из протоколов, которые используют L2CAP в качестве транспортного является, как видно из приведённой выше схемы, RFCOMM (Radio Frequency Communication - соединение на радиочастоте). Этот протокол эмулирует соединение «точка-точка» по серийному порту (RS-232 или EIATIA-232-E, более известным как COM-порты). Через него работает такие службы как, например, LAN Access. Эта служба может работать как эмуляция Direct cable Connection, когда надо обеспечить связь между всего двумя PC, так и использоваться для полноценного входа в уже существующую локальную сеть. Во втором случае используется устройство под названием LAN Access point, через которое компьютер с Bluetooth оказывается, подключен к LAN так, как он мог бы подключиться через dial-up соединение.

TCS (Telephony Control Specification - спецификация телефонного управления) ещё одна служба, использующая L2CAP в качестве транспортного протокола. Эта служба может использоваться центральной домашней или офисной телефонной станцией для переадресовки телефонных звонков. При этом TCS используется только для обслуживания соединения. После того как установлено соединение с нужным телефонным аппаратом (или аппаратами), TCS вызывает Bluetooth voice, и сама речь передаётся с использованием этого синхронного протокола.

Bluetooth audio предназначен для передачи аудио информации. Обычно для передачи аудиоинформации используется специальный протокол, который работает непосредственно с Baseband protocol, но для этого с успехом может применяться и L2CAP. L2CAP предоставляет меньше возможностей для передачи аудио информации, чем Bluetooth voice, но этот метод незаменим, когда необходимо, к примеру, обмениваться аудиоинформацией между Bluetooth и не Bluetooth сетями. Кроме этого, данный метод хорош, когда требуется дополнительная защита данных.

Bluetooth SIG уделила особое место конфиденциальности передаваемых пользовательских данных. Технология Bluetooth предусматривает три вида защиты данных:

1. Минимальная - данные кодируются общим ключом и могут приниматься любым устройством без ограничения;

2. Защита на уровне устройства - в чипе прописывается уровень доступа, в соответствии с которым устройство может получать определенные данные от других устройств;

3. Защита на уровне сеанса связи - данные кодируются 128-битными случайными номерами, хранящимися в каждой паре чипов, участвующих в конкретном сеансе связи.

Чип Bluetooth реализован с учетом всех современных тенденций. Размер чипа - менее одного квадратного сантиметра. Применяемая частота позволяет снизить потребляемую мощность до 1мВт. Подобные характеристики позволяют интегрировать чипы Bluetooth в такие устройства, как мобильные телефоны и карманные компьютеры. Укрупненная структурная схема Bluetooth устройства изображена на рис.1.3.15.

Радиомодуль - трансивер предназначен для предварительного усиления, селекции, демодуляции принимаемых сигналов, а также для усиления, модуляции передаваемых сигналов. Контроллер связи (или же baseband - процессор) управляет передачей данных на физическом уровне, т. е. определяет используемый диапазон частот, размер пакетов, скорость передачи/приема и т. д. В задачи управляющего устройства, входит реализация протоколов Bluetooth верхних уровней, а также выполнение роли интерфейса с терминальным устройством. Трансивер и контроллер связи изготавливаются как специализированные микросхемы, тогда как управляющее устройство можно реализовать на основе стандартных микроконтроллеров, либо его функции поддерживают центральные процессоры мощных терминальных устройств (например, ноутбуков и ПК).

1.3.2.3. Технология Wi-Fi

Wi-Fi (Wireless Fidelity - «беспроводная точность»)- это современная беспроводная технология соединения компьютеров в локальную сеть и подключения их к Интернету. Под аббревиатурой Wi-Fi в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам. С увеличением числа мобильных пользователей возникает острая необходимость в оперативном осуществлении коммуникаций между ними, в обмене данными, в быстром получении информации. Поэтому происходит интенсивное развитие технологий Wi-Fi, рынок которых на данный момент развивается быстрыми темпами.

Wi-Fi был создан в 1991 году компанией NCR Corporation/AT&T в Ньивегейн (Нидерланды). Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой WaveLAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с. Из-за низкой скорости передачи данных, малого радиуса действия и высоких цен оборудования Wi-Fi не нашли широкого применения на начальных этапах существования. Но опубликованные осенью 1999 года спецификации IEEE 802.11a и IEEE 802.11b позволили устранить перечисленные недостатки. Следующий виток эволюции технологий Wi-Fi начался летом 2003 года, когда разработчики закончили следующую версию стандарта - IEEE 802.11g, совмещающую в себе преимущества предыдущих двух редакций. 11 сентября 2009 года была представлена новая спецификация IEEE 802.11n, которая позволяла увеличить максимальную скорость передачи и помехоустойчивость. На стадии разработки находится новый стандарт - IEEE 802.22 (Super Wi-Fi) который, как намечается, должен обеспечить скорость передачи данных 22 Мбит/с в радиусе 100 км.

Базовая спецификация Wi-Fi - IEEE 802.11 предусматривает передачу сигнала на выбор тремя различными способами:

1. Использование радиочастот с применением метода FHSS;

2. Использование радиочастот с применением метода DSSS;

3. Использование инфракрасного диапазона.

Широкое распространение нашли первые два из перечисленных способов, т. к. третий способ отличался крайне малой дальностью действия. Весь диапазон радиочастот применяемые в Wi-Fi технологиях (исключением является стандарт IEEE 802.11a) разделан на 14 поддиапазонов частично перекрывающих друг - друга (табл.1.3.2).

Табл.1.3.2.

Канал	Частота (МГц) и местоположение
1	2412 (США, Европа и Япония)
2	2417 (США, Европа и Япония)
3	2422 (США, Европа и Япония)
4	2427 (США, Европа и Япония)
5	2432 (США, Европа и Япония)
6	2437 (США, Европа и Япония)
7	2442 (США, Европа и Япония)
8	2447 (США, Европа и Япония)
9	2452 (США, Европа и Япония)
10	2457 (США, Европа, Франция и Япония)
11	2462 (США, Европа, Франция и Япония)
12	2467 (Европа, Франция и Япония)
13	2472 (Европа, Франция и Япония)
14	2484 (только Япония)

Следует, заметит что, указанные частоты являются центральными частотами каналов шириной 22 МГц. Поэтому каждый канал перекрывает несколько других, расположенных выше и ниже его. Полный диапазон 2,4 ГГц имеет пространство только для трех непересекающихся каналов, поэтому, если одна сеть работает, скажем, на четвертом канале, а другая использует пятый или шестой, каждая сеть будет детектировать сигналы из другой как помехи. Обе сети будут работать, но эффективность (отражающаяся в скорости передачи данных) не будет оптимальной. Для минимизации помех такого рода каждая сеть должна по возможности использовать каналы, которые разделены по меньшей мере полосой 25 МГц или пятью каналами. Например, в случае трех сетей наилучшим выбором будут № 1, 6 и 11.

Для всех Wi-Fi спецификаций IEEE 802.11 максимальное расстояние уверенного приема сигнала находится в районе 300-400 метров для открытых помещений, и 90 метров - для закрытых. Данное ограничение не является строгим, и при использовании направленных антенн, в случае прямой видимости, возможен прием/передача сигнала на расстоянии порядка нескольких километров. Но следует учитывать, что при отдалении от точки доступа пропускная способность снижается пропорционально расстоянию. Ввиду того что, электромагнитные волны в диапазоне 2,4 ГГц весьма болезненно реагируют на прохождение через различные препятствия, в сильно заставленных помещениях с большим количеством перегородок зона охвата точек доступа резко снижается. В диапазоне 5 ГГц дела обстоят заметно хуже, поэтому для покрытия того же помещения приходится или увеличивать количество точек доступа, или стараться подбирать им оптимальное размещение, например, ближе к потолку, а также оборудовать качественными антеннами. Еще одним фактором, мешающим работе беспроводной сети Wi-Fi, может оказаться другое оборудование, работающее в том же диапазоне частот. Самым ярким примером служат микроволновые печи, которые излучают электромагнитные волны как раз с частотой порядка 2,4 ГГц.

Wi-Fi - сеть как и любая другая беспроводная WLAN - сеть имеет ряд преимуществ перед обычными кабельными аналогами:

1. Возможность очень быстрой развертки, что очень удобно при проведении презентаций или в условиях работы вне офиса;

2. Пользователи мобильных устройств, при подключении к Wi-Fi- сети, могут легко перемещаться в рамках действующих зоны сети;

3. Высокая скорость сети, что позволяет решать очень широкий спектр задач.

Вместе с тем Wi-Fi - технология обладает рядом специфических недостатков:

1. Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах неодинаковы. Из табл.1.3.2 видно что, только поддиапазоны 10 и 11 во всех странах считаются легальными. Более того, некоторые страны, например Италия, требуют регистрации всех Wi-Fi сетей, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора;

2. Высокое по сравнению с другими стандартами потребление энергии, что уменьшает время жизни батарей и повышает температуру устройства;

3. Применяемый в Wi-Fi протокол шифрования может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации из-за слабой стойкости алгоритма;

4. Наложение сигналов закрытой или использующей шифрование точки доступа и открытой точки доступа, работающих на одном или соседних каналах может помешать доступу к открытой точке доступа. Эта проблема может возникнуть при большой плотности точек доступа, например, в больших многоквартирных домах, где многие жильцы ставят свои точки доступа Wi-Fi;

5. Неполная совместимость между устройствами разных производителей или неполное соответствие стандарту может привести к ограничению возможностей соединения или уменьшению скорости;

6. Уменьшение производительности сети во время дождя;

7. Перегрузка оборудования при передаче небольших пакетов данных из-за присоединения большого количества служебной информации;

8. Малая пригодность для работы приложений использующих медиапотоки в реальном времени: качество медийного потока непредсказуемо из-за возможных высоких потерь при передаче данных, обусловленных целым рядом неконтролируемых пользователем факторов (атмосферные помехи, ландшафт и т. д.).

Wi-Fi- сеть может оказаться единственным выходом, если невозможна прокладка кабеля для обычной сети. Вместе с тем необходимо помнить об ограничениях сети. Это, как правило, всё-таки меньшая скорость по сравнению с проводными сетями, подверженность влиянию помех и более сложная схема обеспечения безопасности передаваемой информации.

Сегмент Wi-Fi - сети может использоваться как самостоятельная сеть, либо в составе более сложной сети, содержащей как беспроводные, так и обычные проводные сегменты. Wi-Fi сеть может использоваться:

1. Для беспроводного подключения пользователей к сети;

2. Для объединения пространственно разнесенных подсетей в одну общую сеть там, где кабельное соединение подсетей невозможно или нежелательно;

3. Для подключения к сетям провайдера интернет-услуг вместо использования выделенной проводной линии или обычного модемного соединения.

Рассмотрим принцип построения Wi-Fi - сети более подробно. Основными элементами такой сети являются Wi-Fi - адаптеры и точки доступа. Wi-Fi - адаптер (рис.1.3.16) представляет собой устройство, подключающееся через слот расширения PCI, PCMCI. Существуют также адаптеры с подключением через порт USB 2.0. Wi-Fi - адаптер выполняет ту же функцию, что и сетевая карта в проводной сети. Он служит для подключения компьютера пользователя к беспроводной сети. Все современные ноутбуки имеют встроенные адаптеры Wi-Fi, которые совместимы со многими современными стандартами. Wi-Fi - адаптерами, как правило, снабжены и КПК, что также позволяет подключать их к беспроводным сетям.

Для доступа к беспроводной сети адаптер может устанавливать связь непосредственно с другими адаптерами. Такая сеть называется Ad-Hoc сетью (в переводе «к случаю»). Ad-Нос сеть представляет собой автономную группу станций, работающую без подключения к более крупной сети или Интернету. Она содержит две или более беспроводных станции без точек доступа или подключения к остальному миру. Ad-Hoc сети также называются одноранговыми или независимыми базовыми наборами служб - Independent Basic Service Sets (IBSS). На рис.1.3.17 изображена простая Ad-Hoc-сеть. Основное достоинство данного режима - простота организации: он не требует дополнительного оборудования (точки доступа). Режим может применяться для создания временных сетей для передачи данных. Однако необходимо иметь в виду, что режим Ad-Hoc позволяет устанавливать соединение на скорости не более 11 Мбит/с, независимо от используемого оборудования. Реальная скорость обмена данных будет ниже, и составит не более 11/N Мбит/с, где N- число устройств в сети. Дальность связи составляет не более 100 м, а скорость передачи данных быстро падает с увеличением расстояния.

Адаптер может также устанавливать связь через специальное устройство - точку доступа. Такой режим называется инфраструктурой (Infrastructure mode).

Инфраструктурные сети имеют одну или более точек доступа, почти всегда подключенную к проводной сети. Каждая беспроводная станция обменивается сообщениями и данными с точкой доступа, которая передает их на другие узлы в проводной сети. Любая сеть, требующая проводного подключения через точку доступа к принтеру, файловому серверу или интернет-шлюзу, является инфраструктурной. Инфраструктурная сеть изображена на рис.1.3.18. Инфраструктурная сеть только с одной точкой доступа также называется базовым набором служб - Basic Service Set (BSS). Когда беспроводная сеть использует две или более точки доступа, сетевая структура является расширенным набором служб - Extended Service Set (ESS).

Для выбора способа подключения адаптер клиента должен быть настроен либо на использование Ad-Hoc, либо инфраструктурного режима. Точка доступа (рис.1.3.19) представляет собой автономный модуль со встроенным микрокомпьютером и приемно-передающим устройством. Через точку доступа осуществляется взаимодействие и обмен информацией между беспроводными адаптерами, а также связь с проводным сегментом сети. Таким образом, точка доступа играет роль коммутатора.

Точка доступа имеет сетевой интерфейс (uplink port), при помощи которого эта точка может быть подключена к обычной проводной сети. Через этот же интерфейс может осуществляться и настройка точки. Точка доступа может использоваться как для подключения к ней клиентов (базовый режим точки доступа), так и для взаимодействия с другими точками доступа для построения WDS (Wireless Distributed System - беспроводная распределенная система) сети. По способу объединения точек доступа в единую систему можно выделить:

1. Автономные точки доступа (называются также самостоятельные, децентрализованные, «умные»);

2. Точки доступа, работающие под управлением контроллера (называются также «легковесные», централизованные);

3. Бесконтроллерные, но не автономные (управляемые без контроллера).

В Wi-Fi сетях каждая точка доступа посылает клиенту свой SSID (Service Set Identifier - идентификатор набора услуг), также называемый сетевым именем (Network name). Станция - приемник использует SSID для фильтрации получаемых сигналов и выделения того, который ей нужен. Отсылка SSID происходит посредством сигнальных пакетов, отправляемых каждые 100 мс при скорости 1 Мбит/с, что дает пакетам возможность не влиять на параметры сети. И уже по принятому идентификатору сети адаптер клиента может «понять», к какой из расположенных поблизости точек возможно подключение. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID, адаптер клиента может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала.

После налаживания связи между адаптером клиента и точкой доступа, начинается передача сигнала в направлении клиент - точка доступа. В точке доступа эти сигналы декодируются, и направляются в Интернет по кабелю проводной сети Ethernet. Аналогичным образом осуществляется обратная передача информации: точка доступа получает информацию из Интернета, преобразует ее в радиосигнал и передает на адаптер клиента.

Такое построение сети, когда имеется одна точка доступа и множество клиентских адаптеров удобен и довольно надежен. Но в случае отказа точки доступа или одновременной попытке слишком большого количества людей воспользоваться широкополосной связью могут наблюдаться взаимные помехи либо неожиданный обрыв связи.

Используемые для работы WiFi приемники и передатчики очень похожи на устройства, применяемые в дуплексных портативных радиостанциях, сотовых телефонах и других подобных устройствах. Они могут передавать и принимать радиоволны, а также преобразовывать цифровой электрический сигнал в радиоволны и наоборот. В то же время есть некоторые заметные отличия приемников и передатчиков WiFi от других похожих устройств. Основным из них является то что, они работают на частотах 2,4 ГГц или 5 ГГц. Эти частоты намного выше, чем используемые в сотовых телефонах, в дуплексных портативных радиостанциях и для трансляции эфирного телевидения.

Максимальная длина пакета данных равна 2340 байт (рис.1.3.20). При помехах иногда случается, что теряются большие пакеты данных, поэтому можно уменьшить их длину, путём фрагментации. Фрагментация пакета - это процедура, назначение которой - повысить надежность передачи пакетов через беспроводную среду. Под фрагментацией понимается дробление пакета на меньшие фрагменты и передача каждого из них отдельно. Предполагается, что вероятность успешной передачи меньшего фрагмента через зашумленную беспроводную среду выше. Получение каждого фрагмента пакета подтверждается отдельно; следовательно, если какой-нибудь фрагмент пакета будет передан с ошибкой или вступит в коллизию, только его придется передавать повторно, а не весь пакет. Это увеличивает пропускную способность среды. На рис.1.3.21 изображен один из трех фрагментов пакета с максимальной длиной.

Размер фрагмента может быть задан администратором сети. Фрагментации подвергаются только одноадресные пакеты. Широковещательные или многоадресные пакеты передаются целиком.

Не смотря на то что, за счет фрагментации можно повысить надежность передачи пакетов, она приводит к увеличению объема передаваемой служебной информации (заголовок и контрольная сумма). Это снижает реальную производительность беспроводной станции.

1.3.2.4. Технология WiMAX

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access- международный стандарт для взаимодействия устройств микроволнового диапазона)- телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов). Работа технологии основана на стандарте IEEE 802.16, который также называют Wireless MAN. Название «WiMAX» было создано WiMAX Forum - организацией, которая была основана в июне 2001 года с целью продвижения и развития технологии WiMAX. В данный момент эта организация насчитывает несколько сотен членов, включая такие крупнейшие компании как Intel, Fujitsu, AT&T, BT, Motorola, Samsung, Siemens Mobile и др.

Технология WiMAX может быть использована для решения следующих задач:

1. Соединения точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегментами Интернета;

2. Обеспечения беспроводного широкополосного доступа как альтернативы выделенным линиям;

3. Предоставления высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг;

4. Создания точек доступа, не привязанных к географическому положению;

5. Создания систем удалённого мониторинга (monitoring системы).

WiMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких скоростях, с гораздо большим покрытием, чем у Wi-Fi-сетей. Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные выделенные линии, а также локальные сети. В результате подобный подход позволяет создавать масштабируемые высокоскоростные сети в рамках городов.

В настоящее время известны 4 стандарта технологии WiMAX: 802.16a, 802.16d, 802.16e и 802.16f. Не смотря на одинаковую базу, эти четыре стандарта практически несовместимы.

Сеть WiMAX состоит из двух основных частей (рис.1.3.22):

1. Базовая станция WiMAX, может размещаться на высотном объекте: здании или вышке;

2. Клиентский трансивер WiMAX: антенна с приёмником/передатчиком.

Соединение между базовой станцией и клиентским трансивером производится в диапазоне 2-11 ГГц. Данное соединение в идеальных условиях позволяет передавать данные со скоростью до 20 Мбит/с и не требует наличия прямой видимости между станцией и пользователем. Этот режим работы базовой станции WiMAX близок широко используемому стандарту IEEE 802.11 (Wi-Fi), что допускает совместимость уже выпущенных клиентских устройств и WiMAX. Следует помнить, что технология WiMAX применяется как на конечном участке между провайдером и пользователем, так и для предоставления доступа к региональным сетям: офисным, районным. Между соседними базовыми станциями устанавливается постоянное соединение с использованием диапазона частот 10-66 ГГц. Данное соединение в идеальных условиях позволяет передавать данные со скоростью до 120 Мбит/с. Как минимум, одна из базовых станций может быть постоянно связана с сетью провайдера через широкополосное скоростное соединение. Фактически, чем больше станций имеют доступ к сети провайдера, тем выше скорость и надёжность передачи данных. Однако даже при небольшом количестве точек система способна корректно распределить нагрузку за счёт сотовой топологии. На базе сотового принципа разрабатываются также пути построения оптимальной сети, огибающей крупные объекты (например, горные массивы), когда серия последовательных станций передаёт данные по эстафетному принципу.

По структуре сети WiMAX очень похожи на традиционные сети мобильной связи: здесь тоже имеются базовые станции, которые действуют в радиусе до 50 км, при этом их также не обязательно устанавливать на вышках. Для них вполне подходят крыши домов, требуется лишь соблюдение условия прямой видимости между станциями. Для соединения базовой станции с пользователем необходимо наличие абонентского оборудования. Далее сигнал может поступать по стандартному Ethernet - кабелю, как непосредственно на конкретный компьютер, так и на точку доступа стандарта Wi-Fi или в локальную проводную сеть стандарта Ethernet. Это позволяет сохранить существующую инфраструктуру районных или офисных локальных сетей при переходе с кабельного доступа на WiMAX. Это позволяет также максимально упростить развёртывание сетей, позволяя использовать знакомые технологии для подключения компьютеров.

Радиус действия сети WiMax зависит от многих факторов:

1. Скорости передачи данных, т. е. чем выше скорость передачи, тем меньше радиус действия;

2. Архитектурно-географических особенностей местности (например, степень радиопрозрачности зданий);

3. Условия размещения антенн;

4. От количества поднесущих частот, используемых данной конкретной технологической системой WiMax.

На данный момент WiMAX технологии поддерживают следующие режимы работы:

1. Fixed WiMAX - фиксированный доступ;

2. Nomadic WiMAX - сеансовый доступ;

3. Portable WiMAX - доступ в режиме перемещения;

4. Mobile WiMAX - мобильный доступ.

Рассмотрим все эти режимы поподробнее.

Fixed WiMAX. Фиксированный доступ представляет собой альтернативу широкополосным проводным технологиям. При этом все узлы сети остаются не подвижными. Стандарт использует диапазон частот 10-66 ГГц. Этот частотный диапазон из-за сильного затухания коротких волн требует прямой видимости между передатчиком и приёмником сигнала. С другой стороны, данный частотный диапазон позволяет избежать одной из главных проблем радиосвязи - многолучевого распространения сигнала. При этом ширина каналов связи в этом частотном диапазоне довольно велика (типичное значение - 25 или 28 МГц), что позволяет достигать скоростей передачи до 120 Мбит/с.

Nomadic WiMAX. Сеансовый (кочующий) доступ добавил понятие сессий к уже существующему Fixed WiMAX. Наличие сессий позволяет свободно перемещать клиентское оборудование между сессиями и восстанавливать соединение уже с помощью других вышек WiMAX, нежели тех, что были использованы во время предыдущей сессии. Такой режим разработан в основном для портативных устройств, таких, как ноутбуки, КПК. Введение сессий позволяет также уменьшить расход энергии клиентского устройства, что тоже немаловажно для портативных устройств.

Portable WiMAX. Для режима Portable WiMAX добавлена возможность автоматического переключения клиента от одной базовой станции WiMAX к другой без потери соединения. Однако для данного режима ограничена скорость передвижения клиентского оборудования - 40 км/ч.

Mobile WiMAX. Этот режим позволяет увеличить скорость перемещения клиентского оборудования до более 120 км/ч. Кроме того, у рассматриваемого режима есть ряд таких достоинств как:

1. Устойчивость к многолучевому распространению сигнала и собственным помехам;

2. Масштабируемая пропускная способность канала;

3. Способность устойчивого соединения при резкой смене направления движения клиентского оборудования;

4. Распределение выделяемых частот и использование субканалов при высокой загрузке позволяет оптимизировать передачу данных с учётом силы сигнала клиентского оборудования;

5. Управление энергосбережением позволяет оптимизировать затраты энергии на поддержание связи портативных устройств в режиме ожидания или простоя;

7. Уменьшение до 50 мс и менее времени на переключение клиента между каналами.

Безопасность WiMAX-сети обеспечивается на физическом уровне специально разработанными чипами, которые встроены в устройства беспроводной связи и управляют процессом передачи данных по радиоканалу.