Беспроводные локальные сети

1.

Беспроводные локальные сети
Беспроводные локальные сети (Wireless Local Area Network,
WLAN) – локальные сети использующие в качестве среды передачи
сигналов радиоэфир.
Wi-Fi (Wireless Fidelity) – торговая марка Wi-Fi Alliance, термин часто
используется для обозначения технологий WLAN основанных на
стандартах IEEE 802.11. Wi-Fi Alliance занимается разработкой
стандартов WLAN и сертификацией оборудования
Преимущества WLAN:
1. Отсутствие кабельной инфраструктуры – низкая стоимость
создания и расширения;
2. Мобильность пользователей.

2.

Недостатки WLAN:
1. Влияние помех электромагнитных помех;
2. Неравномерное распространение интенсивности сигнала;
3. Снижение качества сигналов во время сильных атмосферных
осадков.

3.

Режимы работы WLAN
Режим AdHoc
В режиме Ad Hoc (режим IBSS, Independent Basic Service Set),
станции непосредственно взаимодействуют друг с другом (по
принципу "равный с равным“ – “peer to peer”).
Недостатки:
• Ограниченный радиус возможной сети.
• Проблема скрытого терминал.

4.

В режиме ad-hoc возможны конфигурации WLAN такие, что
некоторые станции не могут непосредственно взаимодействовать с
друг другом поскольку находятся за пределами видимости другдруга (проблема скрытого терминала )
A
B
C
Проблема: увеличение вероятности коллизий, поскольку в случае
одновременной передачи сигналов станциями A и С, эти станции не
могут зафиксировать возникновение коллизии.

5.

В режиме Infrastructure (режим BSS, Basic Service Set), станции
взаимодействуют друг с другом через точку доступа (Access Point,
AP). Точки доступа также называю базовыми станциями.
В сетях с точкой доступа, антенны обычных станций размещают в
области покрытия базовой станции. Данные между узлами могут
передаваться транзитом через базовую станцию.

6.

Топология WLAN
DS
BSS
ESS
BSS
Сеть с базовым набором услуг (Basic Service Set - BSS) –
конструктивная единица сети, состоит из нескольких станций
реализующих одни протокол MAC. BSS соединяется с
распределительной системой (DS) через точку доступа.
Независимая сеть с базовым набором услуг (Independent Basic
Service Set, IBSS)– частным случай BSS без точек доступа.

7.

Сеть с расширенным набором услуг (Extended Service Set – EES)
– состоит из нескольких BSS объединенных распределительной
системой (Distribution System Service, DSS).
Служба распределенной системы (Distributed System Service,
DSS) - служба обеспечивающая передачу пакетов между станциями
которые не могут взаимодействовать непосредственно, DSS
образуется базовыми станциями и распределительной системой
(Distribution System, DS).
DS может быть основана на проводной или беспроводной среде.

8.

Беспроводная распределительная система (Wireless
Distribution System, WDS) — позволяет расширить беспроводную
сеть путем объединения нескольких базовых станций в
единую сеть без использования проводного соединения между
ними.
Виды базовых станций:
• Основная базовая станция — подключена к проводной сети, к
ней подключаются клиенты, удаленные и релейные базовые
станции.
• Удаленная базовая станция — служит для подключения
клиентов беспроводной сети, передает полученные данные на
базовую станцию или релейную станцию.
• Релейная станция — служит для передачи данных между
удаленными, основными и другими релейными базовыми
станциями. Выполняет функцию усилителя и ретранслятора
сигнала.

9.

Стандарт IEEE 802.11
Стек протоколов IEEE 802.11 построен в соответствии с структурой
стандартов локальных сетей 802.x.
LLC
MAC
Физ. уровень
Стандарт IEEE 802.11 определяет характеристики и функции
физического и МАС уровня.
Уровень MAC выполняет следующие функции:
• доступ к разделяемой среде;
• обеспечение перехода станции между базовыми станциями;
• обеспечение безопасности передачи данных.

10.

Режимы коллективного доступа к среде
На MAC-уровне в стандарте IEEE 802.11 определено два режима
коллективного доступа к среде передачи данных DCF и PCF:
Режим распределенной координации
(Distributed Coordination Function, DCF)
DCF - основан на методе коллективного доступа с обнаружением
несущей и механизмом избежания коллизий (Carrier Sense Multiple
Access/Collision Avoidance, CSMA/CA).
Для разрешения проблемы скрытых узлов, функция DCF
предусматривает возможность использования алгоритма RTS/CTS .

11.

Алгоритм CSMA/CA
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA)
Режим 1
Перед передачей кадра, станция прослушивает среду, если среда не
занята, станция передает кадр.
Если среда занята, станция ожидает когда она освободится и
начинает передачу кадра.
Если получатель принял кадр неискаженным, то он подтверждает
получение, посылая служебный кадр ACK – квитанцию о доставке.
Если передающая станция не получила пакет ACK, предполагается,
что произошла коллизия и через случайный промежуток времени кадр
передаётся снова.

12.

Режим 2.
Перед захватом среды для передачи данных, “Отправитель”
посылает кроткий служебный кадр RTS (Request To Send).
“Получатель” приняв кадр RTS отправляет в ответ служебный кадр
CTS (Clear To Send). Получив кадр CTS “Отправитель” посылает
кадр данных.
С помощью кадра CTS “Получатель” оповещает скрытый терминал о
захвате среды “Отправителем”.
RTS
CTS
Отправитель
Получатель
CTS
Скрытый
терминал
Получатель подтверждает получение кадра, посылая служебный
кадр ACK – квитанцию о доставке. Если передающая станция не
получила пакет ACK, то через случайный промежуток времени кадр
передаётся снова.

13.

Порядок передачи кадра в режиме DCF
Передача кадра
DIFS
Конкурентное окно Передача кадра
Слот
После передачи очередного кадра станции проверяют занятость
среды в течении межкадрового интервала DIFS (DCF Interframe
Spacing).
После окончания DIFS станции начинают отсчет временных
интервалов фиксированной длительности (временные слоты).
Станция может начать передачу кадра только в конце одного из
слотов.
Номер слота выбирается на основе усеченного экспоненциального
алгоритма отсрочки.
Если среда свободна в течении всех слотов включая выбранный,
станция начинает передачу кадра.

14.

Размер слота Тslot зависит от метода кодирования сигналов и
выбирается таким образом чтобы выполнялось отношение:
Тslot > Тsig + Тcs
Где, Тsig - временя распространения сигнала между любыми двумя
станциями сети, Тcs - время требуемое станциям для распознавания
занятости среды.
Такой выбор размера слота гарантирует возникновение коллизий только
если станции выбрали для передачи один слот.
Величина DIFS вычисляется по формуле:
DIFS = SIFS + 2 * Tslot
Стандарт
Слот(мкс)
DIFS (мкс)
IEEE 802.11b
20
50
IEEE 802.11a
9
34
IEEE 802.11g
9 or 20
28 or 50

15.

Если при передаче кадра коллизия не возникла, узел получатель
посылает служебный кадр ACK подтверждающий доставку.
Если несколько станций выбрали одинаковый слот для передачи
кадра - возникает коллизия, кадр искажается и квитанция о
доставке не посылается.
По истечении времени в течении которого должно быть получено
подтверждение доставки, передающие станции фиксируют
возникновение коллизии и начинают повторные попытки передачи.

16.

Режим централизованной координации
(Point Coordination function, PCF)
В режиме PCF - один из узлов сети (точка доступа) является
центральным и называется центром координации (Point Coordinator,
PC).
Центр координации управляет коллективным доступом всех остальных
узлов сети к среде передачи данных на основе определенного
алгоритма опроса или исходя из приоритетов узлов сети (является
арбитром среды).
PCF полностью исключает конкурирующий доступ к среде и делает
невозможным возникновение коллизий. Для работы в режиме PCF
станции должны подписаться на эту услугу при регистрации в сети.

17.

Согласование режимов PCF и DCF
DIFS
PIFS
Передача кадра SIFS
Конкурентное окно Передача кадра
Слот
Виды межкадровых интервалов:
Short IFS (SIFS) - короткий межкадровый интервал, SIFS
используется для захвата среды при передачи CTS и ACK кадров;
PIFS (PCF IFS) - межкадровый интервал режима PCF. В течении
PIFS, AP может послать служебный кадр извещающий о начале
контролируемого периода. В течении контролируемого периода точка
доступа выполняет функции арбитра среды;
DIFS (DCF IFS) - межкадровый интервал режима DCF.

18.

Величина SIFS и PIFS зависят от метода кодирования сигналов
Стандарт
SIFS (мкс)
IEEE 802.11b
10
IEEE 802.11a
16
IEEE 802.11g
10
Величина PIFS вычисляется по формуле:
PIFS = SIFS + Tslot
Стандарт
PIFS (мкс)
IEEE 802.11b
30
IEEE 802.11a
25
IEEE 802.11g
19 or 30

19.

На физическом уровне определено несколько стандартов
отличающихся методами кодирования и используемыми частотными
диапазонами.
Описание технологий - http://www.teleport-pskov.ru/theory/wifitec.
802.11 (метод FHSS) – передача широкополосных сигналов методом
частотных скачков, используется 79 каналов шириной 1 МГц, скорость
передачи 1 или 2 Мбит/сек, диапазон частот 2,4 ГГц.
802.11 (метод DSSS) – передача широкополосного сигнала методом
прямой последовательности, скорость передачи 1 или 2 Мбит/сек,
диапазон частот 2,4 ГГц.
802.11a (метод OFDM) – метод ортогонального частотного
уплотнения, используются 52 частоты, из них 48 для передачи данных
и 4 для синхронизации. Скорость передачи до 54 Мбит/сек, диапазон
частот 5 ГГц.

20.

802.11b/b+ (метод HR-DSSS) – высокоскоростная передача
широкополосного сигнала по методу прямой последовательности.
Скорость передачи до 5,5/11 Мбит/сек, диапазон частот 2,4 ГГц.
802.11g (метод OFDM) - Скорость передачи до 54 Мбит/сек (1, 2, 5,5, 6,
9, 11, 12, 18, 22, 24, 33, 36, 48, 54 ), диапазон частот 2,4 ГГц
802.11n - Скорость передачи от 54 Мбит/c до 480 Мбит/с, диапазоны
частот 2,4 и 5 ГГц, используются каналы шириной 20 и 40 Мгц. Для
передачи и приема сигналов используются несколько антенн (схемы
1x2, 2x3, 3x3).
Как показывает практика, в диапазоне 2,4—2,483 ГГц без взаимных
помех в одном месте могут разместиться три базовые станции DSSSтехнологии или 15 базовых станций технологии FHSS.