10.6. Технологии беспроводных локальных сетей
Говоря о вычислительных сетях, практически всегда подразумевают кабельные сети, несмотря на то, что уже несколько лет назад появились беспроводные технологии организации вычислительных сетей. До недавнего времени беспроводная ЛВС неизменно ассоциировалась с низкой скоростью передачи и невысокой надежностью, но современные беспроводные сетевые технологии способны эффективно передавать данные с вполне приемлемыми скоростями, хотя они все же существенно уступают по быстродействию и надежности современным кабельным сетям. Беспроводные технологии обычно применяются там, где без них невозможно обойтись, например, когда пользователю нужна возможность свободного перемещения по зданию с портативным компьютером, непрерывно подключенным к сети, или когда доступ к сети нужен там, куда кабель провести сложно или вовсе невозможно. Есть также беспроводные продукты для домашних ЛВС, в которых прокладка кабеля слишком дорога или эстетически неприемлема.
Основные стандарты беспроводных ЛВС – стандарты группы IEEE 802.11. В 2002 году принято решение использовать термин Wi–Fi (Wireless Fidelity – «беспроводная приверженность») в качестве одного общего имени для стандартов, относящихся к беспроводным ЛВС (Wireless LAN – WLAN).
Стандарт 802.11 (1997 года) определяет три метода передачи, реализуемых на физическом уровне. Это метод инфракрасной передачи и два метода, основанных на радиосвязи небольшого радиуса действия. Последние методы используют радиодиапазоны в районе частот 2,4 ГГц и 915 МГц. Вне зависимости от метода скорость работы составляет 1 или 2 Мбит/с. При этом используется относительно маломощный сигнал, что позволяет уменьшить количество конфликтов между передатчиками. С целью увеличения пропускной способности в 1999 году были разработаны два дополнительных метода, которые работают со скоростями 54 Мбит/с и 11 Мбит/с.
Все пять рассматриваемых далее методов передачи данных позволяют передать кадр подуровня MAC с одной станции на другую. Различаются они используемыми технологиями и достижимыми скоростями.
При передаче в инфракрасном диапазоне (вне диапазона видимого света) используются длины волн 0,85 или 0,95 мкм. Возможны две скорости передачи: 1 или 2 Мбит/с. При скорости 1 Мбит/с используется схема кодирования с группировкой четырех бит в 16-битное кодовое слово, содержащее 15 нулей и 1 единицу. Это так называемый код Грея. Одно из его свойств заключается в том, что небольшая ошибка в синхронизации может привести в худшем случае к ошибке в одном бите выходной последовательности. При скорости передачи 2 Мбит/с уже 2 бита кодируются в 4-битное кодовое слово, также имеющее всего одну единицу: 0001, 0010, 0100 или 1000. Сигналы инфракрасного диапазона не проникают сквозь стены, поэтому соты, расположенные в разных комнатах, очень хорошо изолированы друг от друга. Однако из-за довольно низкой пропускной способности (а также потому, что солнечный свет может искажать инфракрасные сигналы) этот метод не слишком популярен.
В методе FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum – «передача широкополосных сигналов по методу частотных скачков») используются 79 каналов шириной 1 МГц каждый. Диапазон, в котором работает этот метод, начинается с 2,4 ГГц. Для определения последовательностей скачков частот используется генератор псевдослучайных чисел. Поскольку при этом для всех станций используется один и тот же генератор, они синхронизированы во времени и одновременно осуществляют одинаковые частотные скачки. Период времени, в течение которого станция работает на определенной частоте, называется временем пребывания. Это настраиваемая величина, но она должна быть не более 400 мс. Рандомизация, осуществляемая в методе FHSS, является простым способом распределения частотного диапазона. Кроме того, постоянная смена частот – это неплохой, хотя и недостаточный способ защиты информации от несанкционированного прослушивания (поскольку, не зная последовательности частотных переходов и времени пребывания, не возможно подслушать передаваемые данные). Этот метод относительно слабо чувствителен к интерференции с радиосигналом, что делает его популярным при связи между зданиями. Главный недостаток FHSS – его низкая пропускная способность.
Третий метод модуляции называется DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum – «передача широкополосного сигнала по методу прямой последовательности») и работает в радиодиапазоне 915 МГц. Так как этот частотный диапазон существенно загружен другими потребителями (в частности, радиотелефонами 900 МГц), исходящий сигнал модулируется с помощью избыточного цифрового кода, в котором каждый бит данных преобразуется в несколько бит, что позволяет «размазывать» сигнал по более широкой частотной полосе. При этом каждый бит передается в виде 11 элементарных сигналов, которые называются последовательностью Баркера, для чего используется модуляция с фазовым сдвигом со скоростью 1 Мбод (1 бит на 1 бод при работе на 1 Мбит/с и 2 бита на 1 бод при работе на 2 Мбит/с).
Первая высокоскоростная беспроводная ЛВС – 802.11а – использовала метод OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – «ортогональное частотное уплотнение») для передачи сигнала со скоростью до 54 Мбит/с в расширенном диапазоне 5 ГГц. В этом методе используются 52 разные частоты, из них 48 частот предназначены для данных, а 4 – для синхронизации. Одновременная передача сигналов на разных частотах позволяет говорить о расширенном спектре, хотя этот метод существенно отличается от FHSS. Разделение сигнала на большое число узких диапазонов имеет преимущества перед передачей в одном широком диапазоне – в частности, более низкую чувствительность к узкополосной интерференции и возможность использования независимых диапазонов. Система кодирования довольно сложна. Она основана на модуляции с фазовым сдвигом для скоростей до 18 Мбит/с и на квадратурно-амплитудной модуляции при более высоких скоростях. При 54 Мбит/с 216 бит данных кодируются 288-битными кодовыми словами.
Метод HR-DSSS (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum – «высокоскоростная передача широкополосного сигнала по методу прямой последовательности») – это еще один широкополосный способ, который для достижения скорости 11 Мбит/с кодирует биты со скоростью 11 миллионов элементарных сигналов в секунду. Соответствующий стандарт имеет наименование 802.11b. Скорости передачи данных, поддерживаемые этим стандартом, равны 1; 2; 5,5 и 11 Мбит/с. Скорость передачи может быть динамически изменена во время работы для достижения оптимальных результатов в зависимости от условий нагрузки и «зашумленности» линии. На практике скорость работы стандарта 802.11b почти всегда равна 11 Мбит/с. Хотя 802.11b медленнее, чем 802.11а, диапазон первого почти в 7 раз шире, что бывает очень важно во многих ситуациях.
Улучшенная версия 802.11b имеет наименование 802.11g и принята в качестве стандарта IEEE в 2001 году. В 802.11g применяется метод модуляции OFDM, взятый из 802.11а, однако рабочий диапазон совпадает с 802.11b (узкий диапазон 2,4 ГГц). Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту 802.11g составляет 54 Мбит/с.
Протокол MAC в стандарте 802.11 довольно сильно отличается от аналогичного протокола Ethernet вследствие присущей беспроводным сетям сложности по сравнению с проводными сетями. В Ethernet станция просто ожидает, пока в канале наступит тишина, и тогда начинает передачу. Если шумовой всплеск не приходит обратно в течение времени, необходимого на пересылку 64 байт, то можно утверждать, что кадр почти наверняка доставлен корректно. В беспроводных сетях такой механизм не может быть надежно использован. Во-первых, в беспроводных сетях существует так называемая проблема скрытой станции. Поскольку не все станции могут слышать друг друга, передача, идущая в одной части соты, может быть просто не воспринята станцией, находящейся в другой ее части. Ситуация усугубляется еще и тем, что большинство радиосистем являются полудуплексными, то есть не могут одновременно и на одной и той же частоте посылать сигналы и воспринимать всплески шума на линии. В итоге технология 802.11 не может использовать метод CSMA/CD (который применяется в Ethernet).
Для преодоления этой проблемы стандарт 802.11 поддерживает два способа работы. Первый называется DCF (Distributed Coordination Function – «распределенная координация») и не имеет никаких средств централизованного управления (в этом смысле напоминая Ethernet). Второй способ, PCF (Point Coordination Function – «сосредоточенная координация»), подразумевает, что базовая станция берет на себя функцию управления активностью всех станций данной соты. Все реализации стандарта должны поддерживать DCF, тогда как PCF является дополнительной возможностью.
В DCF 802.11 использует протокол CSMA/CA. Протокол CSMA/CA может работать в двух режимах. В первом режиме станция перед передачей прослушивает канал. Если он свободен, начинается пересылка данных. Во время пересылки канал не прослушивается, и станция передает кадр целиком, причем он может быть разрушен на стороне приемника из-за интерференции сигналов. Если канал занят, отправитель дожидается его освобождения и затем начинает передачу. Если возникает коллизия, станции, не поделившие между собой канал, выжидают в течение случайных интервалов времени, используя двоичный экспоненциальный откат (такой же, как в Ethernet) и затем снова пытаются отправить кадр. В общих чертах CSMA/CA напоминает CSMA/CD, так как прежде чем начать передачу данных, станции «прослушивают» сеть, чтобы проверить, не занята ли она. Если сеть свободна, начинается передача данных. В принципе, в сети CSMA/CA две станции могут начать передачу данных одновременно, что приведет к коллизии. Разница же между двумя механизмами MAC заключается в том, что в беспроводной среде механизм обнаружения коллизий CSMA/CD непрактичен, так как для него необходима полнодуплексная связь. Для станции в сети Ethernet признаком коллизии служит появление входящего сигнала в принимающей паре проводов одновременно с передачей исходящего сигнала по передающей паре. Создать беспроводное сетевое устройство, способное передавать и принимать данные одновременно, гораздо сложнее. Поэтому принимающая станция в сети CSMA/CA и не пытается обнаружить коллизии. Вместо этого она проверяет коды входящих пакетов и, не обнаружив ошибок, передает отправителю пакета уведомление о доставке, которое служит признаком того, что коллизии не было. Не получив подтверждения приема, отправитель передает пакет повторно. Если после максимально установленного количества повторных передач пакета подтверждение приема так и не получено, станция передает управление процессом коррекции ошибок протоколам верхних уровней сетевого стека.
Другой режим CSMA/CA основан на усовершенствованном варианте протокола CSMA/CA – протоколе MACAW (Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless – множественный доступ с избежанием коллизий для беспроводных сетей) – и использует контроль виртуального канала. В показанном на рис. 10.6 примере станция «А» предполагает передать данные станции «В». Станция «С» находится в зоне действия (то есть слышит) «А», а также, возможно, в зоне действия «В», но это не имеет значения. Станция «D» входит в зону действия «В», но не входит в зону действия «А». Протокол начинает работать тогда, когда «А» решает, что ей необходимо послать данные «В». Станция «А» посылает станции «В» кадр RTS (Request To Send – запрос на отправку), запрашивая разрешение на передачу. Если «В» может принять данные, она отсылает обратно положительное подтверждение – кадр CTS (Clear To Send – разрешение отправки). После приема CTS станция «А» запускает таймер АСК (ACKnowledge – подтверждение доступа) и начинает передачу данных. В случае корректного приема «В» генерирует кадр АСК, сообщающий станции «А» о конце передачи. Если интервал времени таймера на станции «А» истекает прежде, чем получен АСК, весь алгоритм работы протокола повторяется с самого начала.