Учебно-методическии комплекс дисциплины «Компьютерные сети» для специальности 6М011100 — «Информатика» (стр. 64 )

Рис 13.5 Спецсеть стандарта IEEE 802.11

Протокол доступа к носителю стандарта 802.11

Так же как и в кабельной Ethernet–сети стандарта 802.3, станции беспроводной локальной сети стандарта IEEE 802.11 должны координировать свой доступ и использовать коллективный канал связи (в данном случае радиочастоту). Этим, опять же, занимается протокол управления доступом к носителю (MAC). В сетях стандарта IEEE802.il в качестве протокола MAC используется протокол CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance — множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий). Как было показано в разделе «Ethernet», протокол CSMA сначала прослушивает канал, чтобы определить, не занят ли канал другой станцией, передающей кадр. В спецификации стандарта 802.11 указывается, что физический уровень наблюдает за уровнем радиосигнала, чтобы определить, не ведется ли в данный момент передача другой станцией, и предоставляет эту информацию протоколу MAC. Если канал оказывается свободным в течение времени, большего чем распределенный интервал между кадрами (Distributed Inter Frame Space, DIFS), станция получает разрешение на передачу. Как и в любом протоколе произвольного доступа, кадр будет успешно получен принимающей станцией, если другие станции не начнут передачу и их сигнал не належится на сигнал, передаваемый данной станцией.

Корректно и полностью получив кадр, получающая станция ждет в течение короткого периода времени SIFS (Short Inter Frame Space — короткий интервал между кадрами), после чего посылает отправителю кадр явного подтверждения. Благодаря подтверждению отправитель узнает, что получатель получил предназначавшийся ему кадр без повреждений. Это подтверждение необходимо, так как, в отличие от кабельной Ethernet–сети, беспроводной отправитель не может самостоятельно определить, был ли переданный кадр принят успешно (без коллизии с другим кадром). Передача кадра и последующее подтверждение схематично показаны на рисунке 13.6.

Рис. 13.6 Передача данных и подтверждение в сети IEEE 802.11

На рисунке показана ситуация, в которой отправитель сначала прослушивает канал, убеждаясь, что канал свободен. Что произойдет, если отправитель обнаружит, что канал занят? В этом случае станция выполняет процедуру отката, аналогичную той, что используется в Ethernet–сети. Станция, обнаруживающая, что канал занят, не пытается занимать его до тех пор, пока он не освободится. Как только станция замечает, что канал свободен в течение интервала времени DIFS, она рассчитывает дополнительный интервал времени случайной длительности и ждет в течение этого интервала, после чего, наконец, передает кадр. Как и в Ethernet–сети, таймер случайной длительности позволяет избежать ситуации, при которой несколько станций одновременно начинают передачу (что приводит к коллизии) по истечении интервала DIFS. Как и в Ethernet–сети, максимальная длительность случайного интервала времени удваивается при каждой новой коллизии.

Как уже отмечалось, в отличие от протокола 802.3 Ethernet, беспроводной протокол MAC стандарта 802.11 не обнаруживает коллизии. Это вызвано двумя причинами.

Для обнаружения коллизий необходима способность одновременно передавать и принимать сигнал. Это позволяет определить, не накладывается ли передача какой–либо другой станции на собственную передачу. В случае радиосвязи реализация подобной способности требует дополнительных затрат.

Даже если оснастить адаптеры средствами обнаружения коллизий, возможна ситуация, когда коллизия (наложение сигналов) будет выявлена только на приемнике, но ее не будет на передатчике.

Возможность последней ситуации обусловливается особенностями радиоканала. Предположим, что станция А передает данные станции В. Допустим, что станция С также передает данные станции В. Поскольку в качестве носителя в данной ситуации используется радиосвязь, возможна так называемая проблема скрытого терминала, когда из–за каких–либо физических препятствий (например, горы) станции А и С не слышат друг друга, хотя при этом передачи обеих станций принимаются станцией В. Пример показан на рисунке 13.7, а. Кроме того, подобная ситуация может быть вызвана ослаблением силы сигнала с расстоянием. На рисунке 13.7, б станции А и С расположены так, что силы их сигналов недостаточно, чтобы обнаруживать друг друга, но в то же время достаточно для коллизии их сигналов на станции В.

Рис. 13.7 Проблема скрытого терминала (а); проблема затухания сигнала (б)

Учитывая трудности с обнаружением коллизий в беспроводной связи, разработчики стандарта IEEE 802.11 создали протокол доступа, основное назначение которого состоит не в том, чтобы обнаруживать коллизии (CSMA/CD), а в том, чтобы их предотвращать (CSMA/CA). Во–первых, кадр IEEE 802.11 содержит поле длительности, в котором передающая станция явно указывает, как долго данный кадр будет занимать канал. Это значение позволяет другим станциям определить минимальное время, в течение которого они должны воздерживаться от передачи. В спецификации стандарта этот интервал времени назван вектором сетевого доступа (Network Allocation Vector, NAV).

Протокол IEEE 802.11 также может использовать управляющий кадр RTS (Request То Send — готовность к передаче) и короткий кадр CTS (Clear To Send — готовность к приему) для резервирования доступа к каналу. Когда отправитель хочет послать кадр, он может сначала передать получателю кадр RTS, в котором указывается длительность пакета данных (DATA) и пакета подтверждения (АСК). Приняв кадр RTS, получатель отвечает кадром CTS, таким образом давая отправителю явное разрешение на передачу. Все остальные станции, получив кадры RTS и CTS, узнают о готовящейся передаче и таким образом могут избежать коллизии с ней. Кадры RTS, CTS, а также кадры данных и подтверждения показаны на рисунке 13.8. Отправитель в соответствии с протоколом IEEE 802.11 может сначала передать управляющий кадр RTS и получить управляющий кадр CTS, как показано на рисунке 13.8, или сразу начать передавать данные (см. рисунок 13.4).

Рис.13.8 Предотвращение коллизий при помощи кадров RTS и CTS

Использование кадров RTS и CTS позволяет избежать коллизий но двум причинам.

Переданный получателем кадр CTS будет получен всеми станциями в окружении получателя. Таким образом, кадр CTS помогает избежать как проблемы скрытого терминала, так и проблемы затухания сигнала. Поскольку длительность кадров RTS и CTS невелика, коллизия с подобным кадром также должна занимать меньше времени. Обратите внимание, что при успешной передаче кадров RTS и CTS передача последующих кадров данных и подтверждения должна пройти без коллизий.

В приведенном выше описании мы осветили только некоторые ключевые аспекты протокола 802.11. Дополнительную информацию об этом протоколе, касающуюся временной синхронизации, управления питанием, а также присоединения к сети и отсоединения от сети, можно узнать в спецификации стандарта IEEE802.il.

5. Bluetooth

Технология Bluetooth может применяться в широком спектре приложений, но наиболее интересным ее приложением является предоставление удобного средства беспроводной связи для электронных устройств, таких как мобильные телефоны, лэптопы, карманные и настольные компьютеры, цифровые фото– и видеокамеры, факсы, принтеры, клавиатуры, мыши и джойстики, системы домашней сигнализации, часы и кофеварки. В 90–х годах в большинстве случаев беспроводные соединения между мобильными телефонами, ноутбуками и карманными компьютерами осуществлялись при помощи действующего в пределах зоны прямой видимости инфракрасного сигнала. Поскольку в технологии Bluetooth используется радиосигнал, устройства более не должны находиться в пределах прямой видимости. Кроме того, помимо двухточечных соединений технология Bluetooth поддерживает многоточечные соединения.

Встроенные в мобильные устройства приемопередатчики Bluetooth работают в не–лицензированном радиодиапазоне 2,45 ГГц, предоставляя передачу данных на скорости до 721 Кбит/с, а также три голосовых канала по 64 Кбит/с. Расстояние, на котором могут работать поддерживающие технологию Bluetooth устройства, зависит от мощности этих устройств и составляет от 10 до 100 метров. Чтобы минимизировать возможность взаимного наложения сигналов от других устройств, после приема или передачи пакета частота передачи меняется. Помимо изменения частоты передачи технология Bluetooth обеспечивает прямое исправление ошибок (Forward Error Correction, FEC) и автоматический запрос повторной передачи (Automatic Repeat reQuest, ARQ), при этом для каждого пакета данных вычисляется значение CRC, а полученные с ошибками пакеты передаются повторно.

У каждого устройства, поддерживающего технологию Bluetooth, есть уникальный 12–разрядный адрес. Чтобы устройство А могло связаться с устройством В, оно должно знать адрес устройства В. Технологией Bluetooth также поддерживается аутентификация устройств и шифрование сообщений.

В набор протоколов Bluetooth входят несколько протоколов.

Узкополосный протокол обеспечивает физическое беспроводное соединениемежду устройствами. При соединении от двух до семи Bluetooth–устройств образуется небольшая сеть, называемая piconet. Протокол управления каналом отвечает за установку соединения, называемую«рукопожатием», во время которой два устройства обмениваются необходимойинформацией. Протокол L2CAP обеспечивает адаптацию протоколов более высокого уровня к передаче по узкополосному каналу.

6. Протокол РРР

До сих пор мы в основном рассматривали протоколы для широковещательных каналов. В данном разделе мы обсудим протокол РРР (Point–to–Point Protocol — протокол передачи от точки к точке) — протокол канального уровня для двухточечных соединений. Поскольку на модемных телефонных линиях, соединяющих компьютеры с Интернет–провайдерами, как правило, применяется протокол РРР, этот протокол, несомненно, является сегодня одним из наиболее популярных протоколов канального уровня. Другим подобным протоколом является протокол HDLC (High–level Data Link Control — высокоуровневый протокол управления каналом), однако здесь мы ограничимся рассмотрением более простого протокола РРР, что позволит нам изучить наиболее важные свойства двухточечных протоколов передачи данных.