Беспроводные сети
В общем, беспроводные сети передачи данных используют электромагнитные волны радио, ультракороткого и светового диапазона для передачи данных. Беспроводные сети передают данные от передатчиков и приёмников, подключенных к компьютеру к фиксированным приёмникам и передатчикам, подключенным к кабельной сетевой инфраструктуре через устройства, известные как беспроводные точки доступа. Точки доступа располагаются в соответствии с нуждами конечных пользователей и в соответствии с требованиями используемой технологией. Существуют разные технологии передачи данных в беспроводных сетях. Одни призваны передавать данные от устройства к устройству, другие обеспечивают общее покрытие выделенной площади.
Преимущества беспроводной сети очевидны. Пользователи беспроводной сети не привязаны к определённому месту, оборудованному информационной розеткой, т.е. ни что не ограничивает наслаждение работой в сети и, таким образом, такой стиль работы гораздо лучше соответствует требованиям современного мобильного образа жизни.
Важная форма беспроводной сети передачи данных, которая будет обсуждена в этом документе, известна как сотовая. Сотовая беспроводная сеть состоит из множества радио ячеек, сопряжённых друг с другом. В идеальном случае, пользователи сотовых сетей могут перемещаться из ячейки в ячейку в пределах области покрытия без ухудшения быстродействия или потери доступа. Преимущество ячеечной структуры в возможности рентабельно подстраивать радио охват в течение долгого времени, чтобы удовлетворять изменяющийся спрос. Такой принцип построения сети был применён для сотовой связи, которая к настоящему времени охватывает практически весь земной шар.
Возможности:
- обеспечивает мобильность;
- позволяет избежать трудности при монтаже кабеля;
- позволяет снять ограничение на максимальную протяжённость сети.
Типы беспроводных сетей:
1. Локальные сети.
2. Расширенные локальные сети.
3. Мобильные сети.
Технологии локальных сетей.
Для организации беспроводной среды требуется специальный сетевой адаптер и специальный трансивер (точка доступа) - устройство, обеспечивающее приём и передачу сигналов.
Основные технологии передачи данных:
- инфракрасное и лазерное излучение
- радиопередача
Преимущество инфракрасного излучения:
- Относительно высокая скорость передачи (10 Мбит / сек)
- относительно высокая безопасность
Недостатки инфракрасного излучения:
- Эффективная область действия 30 м.
- Наиболее производительные технологии требуют прямой видимости Сигнал подвержен помехам со стороны сильных источников света (окна)
Радиопередача в СВЧ-диапазоне.
Сеть, развернутая в соответствии со стандартом "RadioEthernet", представляет собой аналог обычной кабельной сети Ethernet с коллизионным механизмом доступа к среде передачи данных. При наружном применении RadioEthernet очень удобно использовать сети на "последней миле" взамен кабельной, то есть - для соединения между абонентом и ближайшим узлом опорной сети. При этом реальная протяженность "последней мили" может быть от нескольких сотен метров до 20-30 км и ограничена лишь наличием прямой видимости.
Данная технология соответствует стандарту 802.11, разработанному Международным институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) в 1997 году и описывающему протоколы, которые позволяют организовать локальные беспроводные сети (Wireless Local Aria Network, WLAN). Оборудование для беспроводных сетей, ориентированное на диапазон частот 2,4 ГГц, способно обеспечить связь на расстоянии до 300 м.
Варианты беспроводной сети:
1) Временная локальная сеть (режим Ad-Hoc)
Одноранговая беспроводная сеть в режиме Ad-Hoc может быть создана для обмена файлами между участниками совещания, деловой встречи, семинара. Также этот режим может использоваться для связи двух-трех компьютеров в квартире или в малом офисе (в т. ч. для совместного использования принтера, подключенного к одному из этих компьютеров). Такая сеть не имеет подключения к проводной инфраструктуре. Соединения между компьютерами устанавливается вручную по мере необходимости.
Для развертывания сети в режиме Ad-Hoc необходимо иметь два или больше устройств, снабженных беспроводными сетевыми адаптерами. Такими устройствами могут быть ноутбуки, настольные компьютеры, PDA.
Ноутбуки с технологией Intel Centrino и некоторые модели PDA имеют встроенные беспроводные адаптеры Wi-Fi. Эти устройства могут образовывать сети в режиме Ad-Hoc сразу после выполнения необходимых настроек.
Беспроводной адаптер можно приобрести как отдельное устройство и установить в свой компьютер. Вероятнее всего, Вы сможете выполнить необходимые настройки самостоятельно, и наши услуги Вам не потребуются.
2) Точка Доступа - это "прозрачный" мост, предоставляющий беспроводной доступ станциям, оборудованным беспроводными сетевыми картами к компьютерам, объединенным в сеть с помощью проводов. С помощью Точек Доступа беспроводные рабочие станции могут быть очень быстро объединены в сеть.
Первый способ заключается в прямом соединении двух или большего числа компьютеров в режиме точка-точка. Этот способ соединения мы определили как наиболее простой, не требующий дополнительного оборудования, и обеспечивающий максимальную скорость обмена. К сожалению, этот способ имеет один существенный недостаток, обнаруживаемый при совместном использовании различных сетевых ресурсов, в том числе и подключения к Интернет, где возникает необходимость в обязательном включении компьютера, являющимся шлюзом между вашей сетью и Интернет.
Для устранения этого недостатка можно воспользоваться точкой доступа, которая будет играть роль беспроводного «прозрачного» моста между вашей проводной сетью и компьютерами, оборудованными беспроводными сетевыми контроллерами. На первый взгляд этот способ может показаться достаточно сложным, однако, на деле он оказывается заметно проще первого способа.
Режимы работы беспроводной связи
Существуют два варианта конфигурации устройств беспроводного доступа 802.11: BSS и IBSS.
Режим BSS
Режим BSS является наиболее часто используемым. Режим BSS также называют режимом инфраструктуры. В этом режиме несколько точек доступа беспроводной сети подключаются к проводной сети передачи данных. Каждое беспроводная сеть имеет собственное имя. Это имя является идентификатором SSID сети.
Клиенты беспроводной сети подключаются к этим точкам доступа беспроводной сети. Стандарт IEEE 802.11 определяет протокол, используемый для связи в беспроводных сетях. Клиент сети беспроводного доступа может подключаться к некоторой сети, если задан её SSID. Клиент может также подключаться к любой сети, если SSID не задан.
В режиме инфраструктуры (иногда называемый также клиент/сервер) станции взаимодействуют друг с другом через точку доступа (Access Point). Такая конфигурация носит название базового набора служб (Basic Service Set, BSS). Два или более BSS, образующих единую подсеть, формируют расширенный набор служб (Extended Service Set, ESS). Точки доступа сети выполняют роль мостов между беспроводной и проводной сетями, а также могут взаимодействовать между собой через распределительную систему (Distribution System), соединяясь либо с помощью сегментов кабельной сети, либо с помощью специального радиооборудования (радиомостов). Для обеспечения перехода мобильных рабочих станций из зоны действия одной точки доступа к другой предусмотрены специальные процедуры сканирования. Так как большинству беспроводных станций требуется получать доступ к файловым серверам, принтерам, Интернет, доступным в проводной локальной сети, они будут работать в режиме клиент/сервер.
Режим IBSS
Режим IBSS, также называемый ad-hoc, предназначен для соединений точка-точка. На самом деле существуют два типа режима ad-hoc. Один из них является режимом IBSS, называемый также режимом ad-hoc или IEEE ad-hoc. Этот режим определён стандартами IEEE 802.11. Второй режим называется демонстрационным режимом ad-hoc, или Lucent ad-hoc (или, иногда неправильно, режимом ad-hoc). Это старый, существовавший до появления 802.11, режим ad-hoc, и он должен использоваться только для старых сетей. В дальнейшем мы не будем рассматривать ни один из режимов ad-hoc.
Режим независимой конфигурации (IBSS - Independent Basic Service Set, независимый базовый набор служб), котрый часто называют «точка-точка», - самый простой в применении. Соответственно, самым простым является построение и настройка сети с использованием независимой конфигурации.
Механизм случайного доступа к среде (CSMA/CA)
На канальном уровне протоколов IEEE 802.11 фундаментальным механизмом доступа к беспроводной среде является функция распределенного управления DCF, реализующая метод CSMA/CA (множественный доступ к среде с прослушиванием несущей и избеганием коллизий). Этот метод во многом подобен тому, что используется протоколом Ethernet в проводных сетях.
Каждая станция, подчиняющаяся дисциплине DCF и механизму базового доступа, самостоятельно определяет момент своего выхода в эфир и занятия среды, при этом перед началом передачи эфир прослушивается станцией и в случае, если он свободен, станция начинает передачу. Последовательные попытки передачи данных каждой станции разделены интервалом задержки, а также случайным отложенным временем (Backoff time). В случае коллизии, когда, в эфир одновременно выходят две станции, реализуется механизм избегания коллизий. Обе станции прекращают передачу, каждая из них выжидает случайный промежуток времени, прослушивая среду. Далее станция, у которой интервал оказался меньше, снова выходит в эфир. Поскольку вероятность совпадения случайного промежутка времени у разных станций мала, данный метод позволяет многократно снизить вероятность возникновения повторных коллизий.
Проблема скрытого узла
В масштабах городских и региональных сетей архитектуры точка - много точек PtMP, где для связи на большие расстояния используются узконаправленные антенны, применение дисциплины случайного доступа к среде CSMA/CA (DCF) приводит к колоссальному снижению производительности всей сети.
Как мы уже говорили, каждая станция перед началом передачи пытается «убедиться», что среда свободна. При использовании направленных антенн вероятность, что какая-либо из станций будет «слышать» все соседние, ничтожно мала, поскольку антенны ориентируются на базовую станцию. Таким образом, при прослушивании у станций постоянно создается иллюзия, что среда свободна и они одновременно начинают передачу. Следствием этого становится резкий рост числа коллизий, попыток повторной передачи пакетов и как следствие - существенное падение производительности всей сети, рост числа потерь и т.д.
Для решения данной проблемы в дополнение к описанному механизму базового доступа в протоколе 802.11 предусмотрен механизм RTS/CTS (Request-to-send/Clear-to-send) или Запрос-на-передачу / Разрешение-передачи. Данный механизм может включаться при превышении размером пакета некоторого установленного порога. В этом случае перед началом передачи основного пакета данных станция посылает на базу короткий служебный пакет RTS, запрашивая разрешение на начало передачи. Если среда не занята и база приняла этот пакет, она отвечает коротким пакетом CTS, разрешающим станции начать передачу. К сожалению, этот метод не решает проблему полностью. Основной недостаток его - существенное увеличение накладных расходов, связанных с задержками на передачу служебных пакетов и рост числа коллизий, вызванных ими.
Проблема падения производительности с ростом нагрузки
Другая, не менее важная проблема - резкое падение эффективности беспроводной сети при увеличении числа одновременно работающих станций и нагрузки на них. Эти два фактора неизбежно вызывают рост числа коллизий и приводят к дополнительным затратам времени на их разрешение. Как показывают опыт и результаты моделирования, эффективность беспроводной среды начинает резко снижаться при росте числа одновременно работающих станций выше 10 штук.
Проблема несправедливости обслуживания
Как показывает эксперимент, станция, осуществляющая интенсивную передачу трафика способна фактически захватить весь канал, поскольку процедура CDMA/CA практически декларирует правило «первым пришел - первым обслужен». Это обстоятельство сильно влияет на такие немаловажные для клиентов факторы, как качество обслуживания трафика и его детерминистичность.
Решение - механизм маркерного доступа (TDMA), PCF.
Специально для поддержки передачи потоковых данных в спецификацию MAC - уровня 802.11 был описан еще один метод доступа к среде, названный Point Coordination Function (PCF).
В противоположность описанной технологии случайного доступа (DCF), где управление распределено между всеми станциями, в режиме PCF только базовая станция БС или Point Coordinator управляет доступом к каналу. На практике PCF реализует механизм маркерного доступа, обеспечивающий множественный доступ к среде с разделением по времени TDMA (Time Division Multiple Access).
В режиме PCF БС составляет список опроса, согласно которому циклически опрашивает зарегистрированные станции на предмет получения данных. На каждую станцию выделяется рассчитанный промежуток времени, по истечении которого производится опрос следующей станции. Ни одна из станций не может передавать в это время, за исключением той, которая опрашивается. Поскольку PCF даёт возможность каждой станции передавать в определённое время, данный механизм гарантирует максимальную латентность. Для того чтобы дать возможность новым станциям зарегистрироваться в сети, БС периодически на короткое время переходит в режим DCF, разрешая в этот период всем станциям конкурировать за среду.
Некоторые производители беспроводного оборудования предложили свои, несовместимые варианты реализации маркерного доступа. При этом метод PCF, закрепленный в стандарте IEEE 802.11, способен обеспечить совместимость устройств различных производителей.
Стандарт 802.11 не оговаривает конкретного алгоритма, согласно которому каждый раз в цикле PCF будет составляться список опроса. Каждый производитель волен разрабатывать этот алгоритм самостоятельно. В простейшем случае список опроса статический, опрашиваются все зарегистрированные станции, каждой из них при этом выделяется одинаковый промежуток времени для передачи.
