48620 (Разработка проводной локальной сети и удаленного доступа к данной сети с использованием беспроводной сети (Wi-Fi)), страница 2

В основе всех беспроводных протоколов семейства 802.11 лежит технология уширения спектра (Spread Spectrum, SS). Данная технология подразумевает, что первоначально узкополосный (в смысле ширины спектра) полезный информационный сигнал при передаче преобразуется таким образом, что его спектр оказывается значительно шире спектра первоначального сигнала. То есть спектр сигнала как бы «размазывается» по частотному диапазону. Одновременно с уширением спектра сигнала происходит и перераспределение спектральной энергетической плотности сигнала — энергия сигнала также «размазывается» по спектру. В результате максимальная мощность преобразованного сигнала оказывается значительно ниже мощности исходного сигнала.

Собственно, именно в изменении спектральной энергетической плотности сигнала и заключается идея уширения спектра. Дело в том, что если подходить к проблеме передачи данных традиционным способом, то есть так, как это делается в радиоэфире, где каждой радиостанции отводится свой диапазон вещания, то мы неизбежно столкнемся с проблемой, что в ограниченном радиодиапазоне, предназначенном для совместного использования, невозможно «уместить» всех желающих. Поэтому необходимо найти такой способ передачи информации, при котором пользователи могли бы сосуществовать в одном частотном диапазоне и при этом не мешать друг другу. Именно эту задачу и решает технология уширения спектра.

1. Физический уровень протокола 802.11g

Стандарт IEEE 802.11g является логическим развитием стандарта 802.11b/b+ и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне, но с более высокими скоростями. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с.

На физическом уровне определяются механизмы, которые используются для преобразования данных, для обеспечения требуемой скорости передачи в зависимости от среды передачи данных. Таким образом, физический уровень определяет методы кодирования/декодирования и модуляции/демодуляции сигнала при его передачи и приеме.

При разработке стандарта 802.11g рассматривались несколько конкурирующих технологий: метод ортогонального частотного разделения OFDM, предложенный к рассмотрению компанией Intersil, и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC, опционально реализованный в стандарте 802.11b и предложенный компанией Texas Instruments. В результате стандарт 802.11g основан на компромиссном решении: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC.

1. Скоростные режимы и методы кодирования в протоколе 802.11g

В протоколе 802.11g предусмотрена передача на скоростях 1, 2, 5,5, 6, 9, 11, 12, 18, 22, 24, 33, 36, 48 и 54 Мбит/с. Некоторые из данных скоростей являются обязательными, а некоторые – опциональными. Кроме того, одна и та же скорость может реализовываться при различной технологии кодирования. Ну и как уже отмечалось, протокол 802.11g включает в себя как подмножество протоколы 802.11b/b+.

Технология кодирования PBCC опционально может использоваться на скоростях 5,5; 11; 22 и 33 Мбит/с. Вообще же в самом стандарте обязательными являются скорости передачи 1; 2; 5,5; 6; 11; 12 и 24 Мбит/с, а более высокие скорости передачи (33, 36, 48 и 54 Мбит/с) — опциональными.

1. Расширения протокола 802.11g

Не успел еще окончательно утвердиться стандарт 802.11g, предполагающий максимальную скорость соединения до 54 Мбит/с, как на прилавках магазинов стали появляться беспроводные устройства с загадочными надписями «802.11g+», «108 Мбит/с» «Turbo Mode», «Super G» и т.д.

В решениях под маркой 802.11g+ на физическом уровне используются те же самые режимы передачи, что и в протоколе 802.11g. Собственно, речь идет не об изменении физического уровня, а о некоторых изменениях MAC-уровня, то есть уровня доступа к среде передачи данных.

Фактически, все производители чипсетов для беспроводных решений (GlobespanVirata, Atheros, Broadcom) в том или ином виде реализовали расширенный режим 802.11g. Однако проблема заключается в том, что все производители по-разному реализуют данный режим и нет никакой гарантии, что решения различных производителей смогут взаимодействовать друг с другом в этом расширенном режиме. Более того, используемые производителями технологии подразумевают различную максимальную пропускную способность: 108 и 140 Мбит/с.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили следующие технологии: Super-G компании Atheros, Nitro XM компании Сonexant.

В основе всех технологий расширения протокола 802.11g лежат такие принципы, как пакетная передача (packet bursting), позаимствованная из протокола 802.11e, а также сжатие данных, быстрые кадры и связывание каналов. В режиме блочной передачи все пакеты, передаваемые в одном блоке, используют сокращенные заголовки, что позволяет уменьшить объем передаваемой служебной информации и тем самым увеличить полезный трафик.

Технологии Nitro XM и Xpress используют, в основном, пакетную передачу для увеличения пропускной способности и фокусируются на улучшении общей пропускной способности множества устройств, использующих эти технологии в смешанных сетях 802.11b/g.

Технология Super-G также использует пакетную передачу, "быстрые кадры" и сжатие данных "на лету", а также связывание двух каналов.

2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ.

2.1 Расчет времени двойного оборота сигнала сети (PDV)

Соблюдение многочисленных ограничений, установленных для различных стандартов физического уровня сетей Ethernet, гарантирует корректную работу сети (естественно, при исправном состоянии всех элементов физического уровня).

При любом случайном методе управления обменом, использующем детектирование коллизии (в частности, при CSMA/CD), возникает вопрос о том, какой должна быть минимальная длительность пакета, чтобы коллизию обнаружили все начавшие передавать абоненты. Ведь сигнал по любой физической среде распространяется не мгновенно, и при больших размерах сети (диаметре сети) задержка распространения может составлять десятки и сотни микросекунд. Кроме того, информацию об одновременно происходящих событиях разные абоненты получают не в одно время. С тем чтобы рассчитать минимальную длительность пакета, следует обратиться к рис. 3.

Рис. 3. Расчет минимальной длительности пакета

Пусть L – полная длина сети, V – скорость распространения сигнала в используемом кабеле. Допустим, абонент 1 закончил свою передачу, а абоненты 2 и 3 захотели передавать во время передачи абонента 1 и ждали освобождения сети.

После освобождения сети абонент 2 начнет передавать сразу же, так как он расположен рядом с абонентом 1. Абонент 3 после освобождения сети узнает об этом событии и начнет свою передачу через временной интервал прохождения сигнала по всей длине сети, то есть через время L/V. При этом пакет от абонента 3 дойдет до абонента 2 еще через временной интервал L/V после начала передачи абонентом 3 (обратный путь сигнала). К этому моменту передача пакета абонентом 2 не должна закончиться, иначе абонент 2 так и не узнает о столкновении пакетов (о коллизии), в результате чего будет передан неправильный пакет.

Получается, что минимально допустимая длительность пакета в сети должна составлять 2L/V, то есть равняться удвоенному времени распространения сигнала по полной длине сети (или по пути наибольшей длины в сети). Это время называется двойным или круговым временем задержки сигнала в сети или PDV (Path Delay Value). Этот же временной интервал можно рассматривать как универсальную меру одновременности любых событий в сети.

Стандартом на сеть задается как раз величина PDV, определяющая минимальную длину пакета, и из нее уже рассчитывается допустимая длина сети. Дело в том, что скорость распространения сигнала в сети для разных кабелей отличается. Кроме того, надо еще учитывать задержки сигнала в различных сетевых устройствах.

В данной курсовой работе для соединения рабочих станций с концентратором и соединения концентратора с коммутатором используем кабель категории 5. Он был специально разработан для поддержки высокоскоростных протоколов. Поэтому их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство высокоскоростных стандартов ориентируются на использование витой пары категории 5. На этом кабели работают протоколы со скоростью передачи 100 Мбит/с – Fast Ethernet, Gigabit Ethernet на скорости 1000 Мбит/с

Для кабеля категории 5 задержка на 1 м. кабеля составляет 0,55 битовых интервала, а для оптоволоконного сегмента задержка на 1 м. составляет 0,1 битовых интервала. Задержка на концентраторе составляет 140 битовых интервала.

Теперь можно рассчитать значение PDV для максимального участка исходной сети. На нём время двойного оборота сигнала будет наибольшим. Данное значение и будет определять критическое время оборота сигнала для нашей сети.

Рис.4. Максимальный участок не модернизированной сети

Расчет исходной сети:

• Задержка начального сегмента 100Вase-T: 15,3 bt.

• Сегмент кабеля 100Вase-TХ: 50 * 1,1 = 55 bt.

• Концентратор 1 класса: 140 bt.

• Сегмент кабеля 100Вase-TХ: 40 * 1,1 = 44 bt.

• Коммутатор не вносит задержек.

• Сегмент кабеля 100Вase-TХ: 50 * 1,1 = 55 bt.

• Концентратор 1 класса: 140 bt.

• Сегмент кабеля 100Вase-TХ: 70 * 1,1 = 77 bt.

• Задержка конечного сегмента: 165 bt.

Сумма задержки равна 691,3 bt > 512 bt, это говорит о том, что сеть некорректна.

Для приведения сети к корректной структуре концентраторы заменим коммутаторами.

Рис.5. Максимальный участок модернизированной сети

Расчет модернизированной сети:

• Задержка начального сегмента 100Вase-T: 15,3 bt.

• Сегмент кабеля 100Вase-TХ: 50 * 1,1 = 55 bt.

• Коммутатор не вносит задержек.

• Сегмент кабеля 100Вase-TХ: 40 * 1,1 = 44 bt.

• Коммутатор не вносит задержек.

• Сегмент кабеля 100Вase-TХ: 50 * 1,1 = 55 bt.

• Коммутатор не вносит задержек.

• Сегмент кабеля 100Вase-TХ: 70 * 1,1 = 77 bt.

• Задержка конечного сегмента: 165 bt.

Сумма задержки равна 411,3 bt < 512 bt, что говорит о том, что сеть корректна.

2.2 Расчет сети на максимальная пропускную способность

Количество обрабатываемых кадров Ethernet в секунду часто указывается производителями мостов/коммутаторов и маршрутизаторов как основная характеристика производительности этих устройств. В свою очередь, интересно знать чистую максимальную пропускную способность сегмента Ethernet в кадрах в секунду в идеальном случае, когда в сети нет коллизий и нет дополнительных задержек, вносимых мостами и маршрутизаторами. Такой показатель помогает оценить требования к производительности коммуникационных устройств, так как в каждый порт устройства не может поступать больше кадров в единицу времени, чем позволяет это сделать соответствующий протокол. Для коммуникационного оборудования наиболее тяжелым режимом является обработка потока кадров минимальной длины. Это объясняется тем, что на обработку каждого кадра, независимо от его длины, мост, коммутатор или маршрутизатор тратит примерно равное время, связанное с просмотром таблицы продвижения пакета, формированием нового кадра (для маршрутизатора) и т. п. Количество же кадров, поступающих на устройство в единицу времени, естественно, является максимальным при их минимальной длине.
Другая характеристика производительности коммуникационного оборудования - количество передаваемых битов в секунду - используется реже, так как она не говорит о том, какого размера кадры при этом обрабатывало устройство, а на кадрах максимального размера достичь высокой производительности, измеряемой в битах в секунду, гораздо легче.
Рассчитаем максимальную производительность сегмента Ethernet в таких единицах, как число переданных кадров (пакетов) минимальной длины в секунду.

Для расчета максимального количества кадров минимальной длины, проходящих по сегменту Ethernet, заметим, что размер кадра минимальной длины вместе с преамбулой составляет 72 байт или 576 бит (рис. 7.5), поэтому на его передачу затрачивается 57,5 мкс. Прибавив межкадровый интервал в 9,6 мкс, получаем, что период следования кадров минимальной длины составляет 67,1 мкс. Отсюда максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет 14 880 кадр/с.

Рис. 6 Максимальное количество кадров

Естественно, что наличие в сегменте нескольких узлов снижает эту величину за счет ожидания доступа к среде, а также за счет коллизий, приводящих к необходимости повторной передачи кадров.

Кадры максимальной длины технологии Ethernet имеют поле длины 1500 байт, что вместе со служебной информацией дает 1518 байт, а с преамбулой составляет 1526 байт, или 12 208 бит. Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet для кадров максимальной длины составляет 813кадр/с.

Очевидно, что при работе с большими кадрами нагрузка на мосты, коммутаторы и маршрутизаторы довольно ощутимо снижается.

Теперь рассчитаем, какой максимальной полезной пропускной способностью, измеряемой в битах в секунду, обладают сегменты Ethernet при использовании кадров разного размера.

Под полезной пропускной способностью протокола понимается скорость передачи пользовательских данных, которые переносятся полем данных кадра. Эта пропускная способность всегда меньше номинальной битовой скорости протокола Ethernet за счет нескольких факторов:

• служебной информации кадра;

• межкадровых интервалов (IPG);

• ожидания доступа к среде.

Для кадров минимальной длины полезная пропускная способность равна: