Беспроводные сети - как это работает

Обзор протоколов и технологий беспроводной передачи данных.

Алгоритм RTS/CTS

В соответствии c алгоритмом RTS/CTS каждый узел сети, перед тем как послать данные в «эфир», сначала отправляет специальное короткое сообщение, которое называется RTS (Ready To Send) и означает готовность данного узла к отправке данных. Такое RTS-сообщение содержит информацию о продолжительности предстоящей передачи и об адресате и доступно всем узлам в сети (если только они не скрыты от отправителя). Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция, получив сигнал RTS, отвечает посылкой сигнала CTS (Clear To Send), свидетельствующего о готовности станции к приему информации. После этого передающая станция посылает пакет данных, а приемная станция должна передать кадр ACK, подтверждающий безошибочный прием. Последовательность отправки кадров между двумя узлами сети показана на рис. 10.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда сеть состоит из четырех узлов: A, B, C и D (рис. 11). Предположим, что узел C находится в зоне досягаемости только узла A, узел A находится в зоне досягаемости узлов C и B, узел B находится в зоне досягаемости узлов A и D, а узел D находится в зоне досягаемости только узла B. То есть в такой сети имеются скрытые узлы: узел C скрыт от узлов B и D, узел A скрыт от узла D.

В подобной сети алгоритм RTS/CTS позволяет справиться с проблемой возникновения коллизий, которая не решается посредством рассмотренного базового способа организации коллективного доступа в DCF. Действительно, пусть узел A пытается передать данные узлу B. Для этого он посылает сигнал RTS, который, помимо узла B, получает также узел C, но не получает узел D. Узел C, получив данный сигнал, блокируется, то есть приостанавливает попытки передавать сигнал до момента окончания передачи между узлами A и B. Узел B, в ответ на полученный сигнал RTS, посылает кадр CTS, который получают узлы A и D. Узел D, получив данный сигнал, также блокируется на время передачи между узлами A и B.

У алгоритма RTS/CTS имеются свои подводные камни, которые в определенных ситуациях могут приводить к снижению эффективности использования среды передачи данных. К примеру, в некоторых ситуациях возможно такое явление, как распространение эффекта ложных блокировок узлов, что в конечном счете может привести к ступору в сети.

Рассмотрим, к примеру, сеть, показанную на рис. 12. Пусть узел B пытается передать данные узлу A, посылая ему кадр RTS. Поскольку этот кадр получает также и узел C, то он блокируется на время передачи между узлами A и B. Узел D, пытаясь передать данные узлу C, посылает кадр RTS, но поскольку узел C заблокирован, то он не получает ответа и начинает процедуру обратного отсчета с увеличенным размером окна. В то же время кадр RTS, посланный узлом D, получает и узел E, который, ложно предполагая, что за этим последует сеанс передачи данных от узла D к узлу С, блокируется. Однако это ложная блокировка, поскольку реально между узлами D и C передачи нет. Более того, если узел F попытается передать данные ложно заблокированному узлу E и пошлет свой кадр RTS, то он ложно заблокирует узел G.

Описанное явление ложной блокировки узлов может приводить к кратковременному ступору всей сети.

Функция централизованной координации PCF

Рассмотренный выше механизм распределенной координации DCF является базовым для протоколов 802.11 и может использоваться как в беспроводных сетях, функционирующих в режиме Ad-Hoc, так и в сетях, функционирующих в режиме Infrastructure, то есть в сетях, инфраструктура которых включает точку доступа.

Однако для сетей в режиме Infrastructure более естественным является несколько иной механизм регламентирования коллективного доступа, известный как функция централизованной координации (Point Coordination Function, PCF). Отметим, что механизм PCF является опциональным и применяется только в сетях с точкой доступа.

В случае задействования механизма PCF один из узлов сети (точка доступа) является центральным и называется центром координации (Point Coordinator, PC). На центр координации возлагается задача управления коллективным доступом всех остальных узлов сети к среде передачи данных на основе определенного алгоритма опроса или исходя из приоритетов узлов сети. То есть центр координации опрашивает все узлы сети, внесенные в его список, и на основании этого опроса организует передачу данных между всеми узлами сети. Важно, что такой подход полностью исключает конкурирующий доступ к среде, как в случае механизма DCF, и делает невозможным возникновение коллизий, а для времезависимых приложений гарантирует приоритетный доступ к среде. Таким образом, PCF может использоваться для организации приоритетного доступа к среде передачи данных.

Функция централизованной координации не отрицает функцию распределенной координации, а скорее, дополняет ее, накладываясь поверх. Фактически в сетях с механизмом PCF реализуется как механизм PCF, так и традиционный механизм DCF. В течение определенного промежутка времени реализуется механизм PCF, затем – DCF, а потом все повторяется заново.

Для того чтобы иметь возможность чередовать режимы PCF и DCF, необходимо, чтобы точка доступа, выполняющая функции центра координации и реализующая режим PCF, имела бы приоритетный доступ к среде передачи данных. Это можно сделать, если использовать конкурентный доступ к среде передачи данных (как и в методе DCF), но для центра координации разрешить использовать промежуток ожидания, меньший DIFS. В этом случае если центр координации пытается получить доступ к среде, то он ожидает (как и все остальные узлы сети) окончания текущей передачи и, поскольку для него определяется минимальный режим ожидания после обнаружения «тишины» в эфире, первым получает доступ к среде. Промежуток ожидания, определяемый для центра координации, называется PIFS (PCF Interframe Space), причем SIFS<PIFS<DIFS.

Режимы DCF и PCF объединяются в так называемом суперфрейме, который образуется из промежутка бесконкурентного доступа к среде, называемого CFP (Contention-Free Period), и следующего за ним промежутка конкурентного доступа к среде CP (Contention Period) (рис. 13).

Суперфрейм начинается с кадра-маячка (beacon), получив который все узлы сети приостанавливают попытки передавать данные на время, определяемое периодом CFP. Кадры маячки несут служебную информацию о продолжительности CFP-промежутка и позволяют синхронизировать работу всех узлов сети.

Во время режима PCF точка доступа опрашивает все узлы сети о кадрах, которые стоят в очереди на передачу, посылая им служебные кадры CF_POLL.

Опрашиваемые узлы в ответ на получение кадров CF_POLL посылают подтверждение СF_ACK. Если подтверждения не получено, то точка доступа переходит к опросу следующего узла.

Кроме того, чтобы иметь возможность организовать передачу данных между всеми узлами сети, точка доступа может передавать кадр данных (DATA) и совмещать кадр опроса с передачей данных (кадр DATA+CF_POLL). Аналогично узлы сети могут совмещать кадры подтверждения с передачей данных DATA+CF_ACK (рис. 14).

Допускаются следующие типы кадров во время режима PCF:
• DATA – кадр данных
• CF_ACK – кадр подтверждения
• CF_POLL – кадр опроса
• DATA+CF_ACK – комбинированный кадр данных и подтверждения
• DATA+CF_POLL – комбинированный кадр данных и опроса
• DATA+CF_ACK+CF_POLL — комбинированный кадр данных, подтверждения и опроса
• CF_ACK+CF_POLL – комбинированный кадр подтверждения и опроса

Максимальная скорость передачи данных в протоколах 802.11b/g

Как было показано, максимальная скорость, определяемая протоколом 802.11b, составляет 11 Мбит/с, а для протокола 802.11g — 54 Мбит/с.

Однако следует четко различать полную скорость передачи и полезную скорость передачи. Дело в том, что технология доступа к среде передачи данных, структура передаваемых кадров, заголовки, прибавляемые к передаваемым кадрам на различных уровнях модели OSI, — все это предполагает наличие достаточно большого объема служебной информации. Вспомним хотя бы наличие охранных интервалов при использовании OFDM-технологии. В результате полезная или реальная скорость передачи, то есть скорость передачи пользовательских данных, всегда оказывается ниже полной скорости передачи.

Более того, реальная скорость передачи зависит и от структуры беспроводной сети. Так, если все клиенты сети используют один и тот же протокол, например 802.11g, то сеть является гомогенной и скорость передачи данных в такой сети выше, чем в смешанной сети, где имеются клиенты как 802.11g, так и 802.11b. Дело в том, что клиенты 802.11b «не слышат» клиентов 802.11g, которые используют OFDM-кодирование. Поэтому с целью обеспечения совместного доступа к среде передачи данных клиентов, использующих различные типы модуляции, в подобных смешанных сетях точки доступа должны отрабатывать определенный механизм защиты. В результате использования механизмов защиты в смешанных сетях реальная скорость передачи становится еще меньше.

Кроме того, реальная скорость передачи данных зависит и от используемого протокола (TCP или UDP) и от размера длины пакета. Естественно, что протокол UDP предусматривает более высокие скорости передачи. Теоретические максимальные скорости передачи данных для различных типов сетей и протоколов представлены в таблице 3.

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.

Фактически, речь идет о неком нестандартизированном расширении протокола 802.11g, позволяющем добиться более высоких скоростей передачи.

Казалось бы, ну а что, собственно, в этом странного? Добавили еще один тип кодирования и модуляции сигнала и получили в два раза большую скорость. Но в том то и заключается фокус, что 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.

Atheros Super-G

Atheros анонсировала технологию улучшения пропускной способности Super-G ещё в апреле 2003 года, но первые продукты появились только в начале 2004 года. Основная идея, лежащая в основе технологии Super-G заключается в связывании двух каналов (channel bonding) для увеличения общей пропускной способности. Поскольку теоретическая пропускная способность одного канала в протоколе 802.11g составляет 54 Мбит/с, то при связывании двух каналов можно достигнуть пропускной способности в 108 Мбит/с. Именно поэтому, продукты, поддерживающие технологию Super G часто сопровождают надписями типа 108 Мбит/с.

Напомним, что стандарт 802.11g используют одиннадцать каналов в частотной полосе 2,4 ГГц, которые разделены промежутками по 5 МГц. Поскольку общепринятая ширина каждого канала составляет 22 МГц имеется три канала без частичного наложения (1, 6 и 11), центральные частоты которых отстоят друг от друга на 25 МГц. Реализация режима Super G возможна только на центральном канале 6.

Технология Super G предусматривает два режима функционирования: динамический и статический. Статический режим предполагается использовать в WLAN на базе только оборудования Super-G, при этом включаются все функции Super-G, включая объединение двух каналов.

Динамический режим предполагается использовать в смешанных сетях WLAN, то есть когда имеются как клиенты Super G, так и клиенты 802.11b/g. Поскольку клиенты 802.11b/g не поддерживают режима Super G, то при обнаружении таких клиентов в сети при использовании динамического режима происходит автоматический переход работы всей сети на обычный режим 802.11b/g.

Кроме того, многие производители реализуют также и гибридный режим работы, когда технология Super G используется без связывания каналов.

Conexant Nitro XM

Технология Nitro XM компании Conexant предполагает увеличение пропускной способности беспроводной сети до 140 Мбит/с. Технология основывается на пакетной передаче, сжатии данных, а также на фирменном методе прямой связи (Direct Link).

Метод прямой связи отчасти напоминает режим функционирования Ad Hoc. Смысл заключается в том, что вместо того, что бы передавать данные от одного узла сети к другому через точку доступа, узлы сети передают данные непосредственно друг другу как в режиме Ad Hoc. Отличие, однако, заключается в том, что узлы сети должны ассоциироваться с точкой доступа и оставаться в зоне её действия при использовании прямой связи. Узлы сети управляются точкой доступа, Но когда необходимо передать данные, это осуществляется напрямую от одного узла к другому без транзитной передачи через точку доступа.

Увеличение пропускной способности беспроводной сети в технологии Nitro XM достигается, главным образом, за счет сжатия передаваемых данных. При этом, наивысшие результаты достигаются лищь при передачи хорошо сжимаемых данных. Если же для передачи используется уже сжатый файл, то преимущества от использования технологии Nitro XM окажутся минимальными.