Э. Таненбаум, Д. Уэзеролл - Компьютерные сети (1114668), страница 95
Текст из файла (страница 95)
Стандарт 802.11: физический уровеньВсе рассматриваемые ниже методы передачи данных позволяют передать кадр подуровня MAC с одной станции на другую по радиоканалу. Отличаются они используемыми технологиями и достижимыми скоростями. Детальное рассмотрение этихметодов выходит за рамки данной книги, мы лишь дадим краткое описание, которое,возможно, заинтересует читателей и снабдит их необходимыми терминами для поискаболее подробной информации где-либо еще (см. также раздел 2.5).328 Глава 4. Подуровень управления доступом к средеВсе методы стандарта 802.11 используют радиосигналы ближнего радиуса действия в диапазоне частот ISM 2,4 ГГц или 5 ГГц (подробнее об этом см. раздел 2.3.3).Преимущество этих диапазонов в том, что они не требуют лицензирования, то естьдоступны для любого передатчика, отвечающего небольшому числу ограничений(излучаемая мощность до 1 Вт, хотя для большинства передатчиков в беспроводныхсетях характерна модность 50 мВт).
К сожалению, этот факт также известен производителям автоматических гаражных дверей, беспроводных телефонов, микроволновыхпечей и множества других устройств, конкурирующих за один и тот же спектр частотс ноутбуками. Диапазон 2,4 ГГц более населен, чем диапазон 5 ГГц, поэтому для некоторых приложений предпочтительнее использовать последний, несмотря на меньшийрадиус действия (из-за более высокой частоты).Все методы передачи также определяют разные скорости. Идея заключается в том,чтобы использовать разные показатели скорости в зависимости от текущих условий.Если беспроводной сигнал слабый, выбирается низкая скорость. Если сигнал сильный,то скорость можно повысить.
Такая корректировка называется адаптацией скорости(rate adaptation). Поскольку скорости могут различаться в десятки раз, хорошаяадаптация скорости важнее хорошей производительности соединения. Разумеется,поскольку для возможности взаимодействия это не обязательно, в стандартах не говорится, каким именно способом нужно корректировать скорость.Первый метод передачи, на который мы взглянем, — это 802.11b.
Это технологиярасширенного спектра, поддерживающая скорости 1, 2, 5,5 и 11 Мбит/с, хотя на практике почти всегда удается удерживать ее на самом высоком уровне. Она похожа насистему CDMA, с которой мы познакомились ранее, за исключением того, что здесьтолько один код расширения спектра, который используется всеми пользователями.Расширение применяется для удовлетворения требованию FCC о том, что мощностьдолжна быть распределена по диапазону ISM.
Для стандарта 201.11b используетсяпоследовательность Баркера (Barker sequence). Ее отличительная особенность заключается в том, что автокорреляция низка, за исключением случаев, когда последовательности выровнены. Благодаря этому получатель может захватить начало передачи.Для того чтобы пересылать данные на скорости 1 Мбит/с, последовательность Баркеракомбинируется с модуляцией BPSK, и с каждыми 11 чипами отправляется 1 бит.Чипы пересылаются со скоростью 11 Мчипов/с. Чтобы достичь скорости 2 Мбит/с,последовательность комбинируется с модуляцией QPSK, и с каждыми 11 чипамиотправляются 2 бита. На более высоких скоростях дело обстоит по-другому.
Вместопоследовательности Баркера для конструирования кодов применяется техника подназванием CCK (Complementary Code Keying, схема ключей дополнительного кода).На скорости 5,5 Мбит/с в каждом 8-чиповом коде отправляется 4 бита, а на скорости11 Мбит/с — 8 бит.Переходим к 802.11a, который поддерживает скорости до 54 Мбит/с в 5-гигагерцовом диапазоне ISM. Можно было бы подумать, что 802.11a появился раньше 802.11b,но это не так. Хотя группа 802.11a была основана раньше, стандарт 802.11b первымполучил одобрение.
Соответствующие продукты вышли на рынок раньше продуктов802.11a частично еще и из-за сложностей работы в более высоком диапазоне 5 ГГц.Метод 802.11a основан на технологии OFDM (Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing), так как она эффективно использует спектр и устойчива к искажению4.4. Беспроводные локальные сети 329беспроводного сигнала, например, из-за многолучевого распространения.
Биты параллельно отправляются по 52 поднесущим, из которых 48 содержат данные и 4 служатдля синхронизации. Каждый символ длится 4 мкс и отправляет 1, 2, 4 или 6 бит. Битыкодируются для исправления ошибок, для этого применяется сверточный код. Поэтому только 1/2, 2/3 или 3/4 бит не являются избыточными. В разных комбинациях802.11a может обеспечивать восемь разных показателей скорости, от 6 до 54 Мбит/с.Это значительно выше, чем у 802.11b, к тому же в диапазоне 5 ГГц намного меньшепомех. Однако радиус действия 802.11b примерно в семь раз дальше, чем у 802.11a,что во многих ситуациях бывает крайне важно.Несмотря на бо´льшую дальность действия, разработчики 802.11b не собиралисьдавать этому молодому да раннему стандарту шансов на победу в соревновании скоростей.
К счастью, в мае 2002 года FCC отменила давнее правило, требующее, чтобывсе беспроводное коммуникационное оборудование, работающее в США в диапазонахISM, применяло расширение спектра, поэтому стало возможным запустить работунад 802.11g — этот стандарт был одобрен комитетом IEEE в 2003 году. Он копируетметоды модуляции OFDM стандарта 802.11a, но вместе с 802.11b используется в ограниченном диапазоне ISM 2,4 ГГц. Он предлагает те же скорости, что и 802.11a (от 6 до54 Мбит/с) плюс, разумеется, совместимость с любыми устройствами 802.11b, которыемогут оказаться рядом. Все эти различия зачастую сбивают простых пользователейс толку, поэтому продукты обычно поддерживают 802.11a/b/g в одной общей плате.Не сбираясь останавливаться на достигнутом, комитет IEEE начал работу надфизическим уровнем 802.11n, характеризующимся очень высокой пропускной способностью.
Он был одобрен в 2009 году. Цель 802.11n — обеспечить пропускнуюспособность не менее 100 Мбит/с, устранив все накладные расходы беспроводнойсвязи. Для этого требуется увеличение базовой скорости как минимум в четыре раза.Комитет удвоил ширину каналов с 20 до 40 МГц и снизил накладные расходы на пересылку кадров, разрешив совместную отправку целой группы кадров. Что еще важнее,в стандарте 802.11n предусмотрено использование до четырех антенн для пересылкидо четырех потоков информации одновременно. Сигналы потоков смешиваются настороне получателя, но их можно разделить с помощью коммуникационных техникMIMO (Multiple Input Multiple Output, несколько входов — несколько выходов).Наличие нескольких антенн дает огромный выигрыш в скорости либо бо´льший радиусдействия и повышение надежности.
MIMO, как и OFDM, — это одна из тех хитрыхкоммуникационных идей, которые в корне меняют дизайн беспроводных сетей и о которых мы наверняка нередко будем слышать и в будущем. Краткое описание техникииспользования нескольких антенн в стандарте 802.11 см в (Halperin и др., 2010).4.4.3. Стандарт 802.11: протокол подуровняуправления доступом к средеОднако вернемся из области электротехники в область компьютерных наук.
Протоколподуровня MAC (напомним, MAC расшифровывается как Medium Access Control —Управление доступом к среде) в стандарте 802.11 довольно сильно отличается отаналогичного протокола Ethernet вследствие двух фундаментальных факторов, характерных для беспроводного обмена данными.330 Глава 4.
Подуровень управления доступом к средеВо-первых, радиопередатчики почти всегда работают в полудуплексном режиме.Это означает, что они не могут на одной и той же частоте одновременно передаватьсигналы и прослушивать всплески шума. Получаемый сигнал может быть в миллионраз слабее передаваемого и его может быть просто не слышно. В Ethernet станцияожидает, пока в канале настанет тишина, и тогда начинает передачу. Если шумовойвсплеск не приходит обратно в течение времени, необходимого на пересылку 64 байт,то можно утверждать, что кадр почти наверняка доставлен корректно.
В беспроводныхсетях такой механизм распознавания коллизий не работает.Вместо этого 802.11 пытается избегать коллизий за счет протокола CSMA/CA(CSMA with Collision Avoidance, CSMA с предотвращением коллизий). Концепцияданного протокола схожа с концепцией CSMA/CD для Ethernet, где канал прослушивается перед началом отправки, а период молчания после коллизии вычисляетсяэкспоненциально. Однако если у станции есть кадр для пересылки, то она начинаетцикл с периода молчания случайной длины (за исключением случаев, когда она давноне использовала канал, и он бездействует).
Станция не ожидает коллизий. Число слотов, в течение которых она молчит, выбирается в диапазоне от 0 до, скажем, 15 в случаефизического уровня OFDM. Станция дожидается бездействия канала в течение короткого периода времени (называемого DIFS; подробнее о нем ниже) и отсчитываетслоты бездействия, приостанавливая отсчет на время отправки кадров. Свой кадрона отправляет, когда счетчик достигает нуля. Если кадр проходит успешно, то адресат немедленно отправляет обратно короткое подтверждение. Если подтверждениеотсутствует, делается вывод, что произошла ошибка — коллизия или иная.
В такомслучае отправитель удваивает период молчания и повторяет попытку, продолжая экспоненциально наращивать длину паузы (как с Ethernet), пока кадр не будет успешнопередан или пока не будет достигнуто максимальное число повторов.Пример некоторой временной шкалы приводится на рис. 4.22. Станция A отправляет кадр первой. Пока станция A занята отправкой, станции B и C переходят в режим готовности к отправке. Они видят, что канал занят, и дожидаются бездействияканала. Вскоре после получения станцией A подтверждения канал переходит в режимбездействия.
Однако вместо того чтобы сразу же отправлять кадры (что привело бык коллизии), станции B и C начинают свои периоды молчания. Станция C выбираеткороткий период молчания, поэтому ей удается отправить данные первой. Станция Bприостанавливает обратный отсчет, когда видит, что канал занят станцией C, и возобновляет только после получения станцией C подтверждения. Вскоре период молчаниястанции B завершается, и она также отправляет кадр.По сравнению с Ethernet, здесь два основных отличия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
