Опубликован: 11.01.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 618 / 123 | Длительность: 12:06:00
Лекция 8:

Обзор технологии IEEE 802.11

< Лекция 7 || Лекция 8: 12 || Лекция 9 >
Аннотация: История развития, проблемы, особенности и основные свойства.

История развития и обзор технологии

Комитет по стандартам IEEE 802 сформировал рабочую группу по стандартам для беспроводных локальных сетей 802.11 в 1990 году. Была поставлена задача по разработке всеобщего стандарта для радиооборудования и сетей, работающих на частоте 2,4 ГГц, со скоростями доступа 1 и 2 Mbps. Работы по созданию стандарта были завершены через 7 лет, и в июне 1997 года была ратифицирована первая спецификация стандарта 802.11 для радиооборудования и сетей, работающих в частотном диапазоне 2402-2480 МГц, со скоростями доступа 1 и 2 Мбит/с. 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 802 ратифицировала расширение предыдущего стандарта, названное IEEE 802.11b (также известное, как 802.11 High rate), которое работает на скорости 11 Мбит/с (подобно Ethernet) , что позволило 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. С продуктами, удовлетворяющими требованиям Wi-Fi (термин WECA для IEEE 802.11b), можно ознакомиться на сайте WECA.

Wi-Fi - это аббревиатура от Wireless Fidelity, так, по образцу Hi-Fi, называют один из форматов передачи цифровых данных по радиоканалам, а точнее, стандарт IEEE 802.11, или просто 802.11. Вообще говоря, под числом 802.11 скрывается целое семейство стандартов: на текущий момент их восемь, но технически реализованы только два - 802.11a и 802.11b. Последний в обиходе чаще всего и именуется Wi-Fi.

Устройства Wi-Fi были предназначены именно для корпоративных пользователей, чтобы заменить традиционные кабельные сети. Основной выигрыш такой замены в том, что себестоимость прокладки сети сильно сокращается за счет уменьшения объемов ручной работы. Для проводной сети требуется тщательная разработка топологии сети и прокладка вручную многих сотен метров кабеля, порой в самых неожиданных местах. Для организации же беспроводной сети требуется только установить в одной или нескольких точках офиса базовые станции (центральный приемник-передатчик с антенной, подключенный к внешней сети или серверу) и вставить в каждый компьютер сетевую плату с антенной. Основная работа специалиста-установщика заключается в том, чтобы не оставалось "мертвых" зон в здании или на этаже (железобетонные перекрытия экранируют сигнал, и тогда на каждый этаж нужна своя станция). После этого людей и компьютеры можно перемещать как угодно, даже переезд в новый офис не разрушит однажды созданную сеть.

С точки зрения человека, работающего за компьютером, ощутимой разницы в скорости кабельной сети и беспроводного канала нет, если, конечно, рядовой пользователь не собирается смотреть по Интернету потоковое видео или, что бывает много чаще, все время копировать документы с сервера на компьютер и обратно. Во всех остальных случаях нагрузка, создаваемая пользователем, будет неоднородна и невелика, так что одной базовой станцией могут комфортно пользоваться несколько десятков человек.

Устройства, использующие стандарт 802.11b, могут передавать данные с максимальной скоростью 11 Мбит/сек. (стандарт 802.11a поддерживает впятеро большую скорость - 55 Мбит/сек.). Словом, пропускная способность сети стандарта 802.11 сопоставима с пропускной способностью выделенной линии средней мощности (примерно класса T1), а такой канал связи до сих пор не могут позволить себе некоторые организации, не говоря уже о частных лицах.

Однако изначально стандарт 802.11 задумывался как альтернатива именно Ethernet (то есть внутриофисной связи). Разумеется, он годился и для того, чтобы выходить в Интернет, если у компьютера, где установлено такое устройство, есть выход на внешнюю выделенную линию. Для передачи данных стандарт 802.11b использует частоту 2,4 ГГц. Она хорошо знакома каждому, кто хоть раз держал в руках телефон с переносной трубкой, - именно на этой частоте трубка "общается" с базой. В США и ряде других стран эта часть частотного диапазона была нерегулируемой, поэтому устройства в стандарте 802.11b не требовали лицензирования и могли изготовляться и продаваться свободно.

Как уже было сказано, стандарт 802.11b был разработан в конце 90-х годов и окончательно одобрен в начале 1999-го. В 2000 году стали появляться первые устройства для передачи данных на его основе. Он был далеко не первой технологией беспроводной передачи данных. Технически первыми средствами цифровой беспроводной связи были еще передатчики Попова-Маркони - эти устройства передавали не аналоговый, а дискретный сигнал. Первые же беспроводные сетевые устройства появились в 1990 году и, хотя не использовались массово, все же были распространены повсеместно. Прототипами такой связи были текстовые пейджеры и отчасти сотовые телефоны стандартов GSM, CDMA и DAMPS. В Европе получили массовое распространение текстовые сообщения формата SMS, в США успешно эксплуатируется двусторонняя пейджинговая связь BlackBerry, а компания Palm, правда безуспешно, пыталась там же развернуть собственную сеть для беспроводного доступа к почте через карманные органайзеры. Помимо передачи данных по радиоканалу применялись и другие методы - скажем, инфракрасные устройства, хорошо знакомые каждому по телевизионному пульту, работавшие на расстоянии до нескольких метров.

В общем, из всех прототипов беспроводной передачи, имевших хоть какую-то перспективу, 802.11b, он же Wi-Fi, до поры до времени был самым непопулярным. Крупные компании и развитые страны экспериментировали с WAP и GPRS и готовились к продаже лицензий на сотовую связь третьего поколения (в стандарте UMTS), которая была призвана обеспечить высокоскоростную передачу данных в сотовых сетях. Широко обсуждались возможности стандарта Bluetooth, с помощью которого, как предполагалось, в сеть будут объединены персональные устройства и бытовые приборы. Словом, альтернатив 802.11 было много, приведенный список - далеко не полный. Однако победил все же Wi-Fi.

Некоторые проблемы

Главной стратегической проблемой всех провайдеров, и частных, и кооперативных, остается критическая масса Wi-Fi-сети, потому что главное, что нужно пользователю, - общедоступность, либо прямая, либо через роуминг. Прямой доступности повсюду предложить не может пока никто, а кросс-роуминг в разных сетях остается благим намерением. Хотя, впрочем, возможность плавного перехода из хотспота в хотспот без потери связи, наподобие того, как это уже осуществляется в сотовых сетях, активно изучается, и здесь тоже начали разрабатываться свои стандарты, чем занимается рабочая группа PassOne. Тут впереди планеты всей неожданно оказалась Новая Зеландия, где компания RoamAD сообщила о запуске демонстрационной версии городского роуминга между хотспотами Wi-Fi.

Следующей важной проблемой является интерференция, то есть пересечение зон приема от разных станций. В Европе эта проблема стала очевидна раньше, чем в Америке, хотя Европа и начала пользоваться Wi-Fi намного позже. В отличие от просторов Америки в Европе застройка плотная. Базовые станции находятся существенно ближе друг к другу, а зоны приема напоминают не круги, а, скорее, листья кувшинок, с вырезами в тех местах, где стены блокируют или экранируют сигнал. Рост Wi-Fi-сетей также сильно напоминает то, как пруд зарастает кувшинками: сперва появляется парочка листьев, затем их становится все больше, и в конце концов они начинают наползать друг на друга, так что воды вовсе не видно. Только вместо лягушек по этим беспроводным "кувшинкам" скачут пользователи с ноутбуками.

Хотя сплошное покрытие всего города - это в целом позитивное явление, так как позволяет использовать Wi-Fi-сети почти так же, как сотовые сети, в особенности с появлением Wi-Fi-роуминга между станциями, вместе с тем оно влечет за собой ряд проблем, как этических, так и технических. Принципы разрешения споров и правила поведения владельцев перекрывающихся станций еще только обсуждаются, а как будут вести себе приемные устройства в местах пересечения двух зон приема, до сих пор не до конца ясно даже специалистам. К числу нерешенных проблем относится также безопасность: сейчас завершаются работы над новыми стандартами безопасности, которые призваны обеспечить более высокий уровень защиты беспроводных сетей.

Стандарт IEEE 802.11

Стандарт IEEE 802.11 (как и все стандарты IEEE 802) работает на нижних двух уровнях модели ISO/OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем или Open Systems Interconnection Basic Reference Model, 1978 г.), физическом уровне и канальном уровне Рис. 8.1 . Любое сетевое приложение, сетевая операционная система, или протокол (TCP/IP, IPX/SPX и т.д.), будут так же хорошо работать в сети 802.11, как и в сети Ethernet.

Модель ISO/OSI

Рис. 8.1. Модель ISO/OSI

Физический уровень

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.

На скорости передачи данных 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.

Методы модуляции

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.

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 одиннадцати 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 уровень

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 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.

Проблема (скрытой точки)

Рис. 8.2. Проблема (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. 8.2 . 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.

< Лекция 7 || Лекция 8: 12 || Лекция 9 >