Чтение онлайн

CSMA/CA с физическим и виртуальным прослушиванием составляет суть протокола 802.11. Однако есть несколько других механизмов, разработанных для того же стандарта. Создание каждого из них обусловлено определенными потребностями при реальной эксплуатации, так что мы кратко их рассмотрим.

Первая потребность — это надежность. В противоположность проводным каналам, беспроводные полны шума и ненадежны, во многом из-за влияния других устройств (например, СВЧ-печей, работающих в тех же нелицензируемых диапазонах ISM). Подтверждения и повторная отправка не помогут, если вероятность успешной передачи фрейма мала.

Основная стратегия увеличения числа успешных передач заключается в снижении скорости передачи. На низких скоростях используются более надежные методы модуляции сигнала, который с большей вероятностью будет правильно получен при заданном отношении «сигнал/шум». При ощутимой потере фреймов станция понижает скорость. Если фреймы приходят с небольшой потерей, станция периодически повышает скорость, проверяя, можно ли ее использовать.

Еще один способ повысить шанс передачи неповрежденного фрейма состоит в том, чтобы посылать более короткие фреймы. Если вероятность ошибки в одном бите равна p, то вероятность того, что n-битовый фрейм будет принят корректно, равна (1 – p)n. Например, при p = 10–4 шанс корректной передачи полного фрейма Ethernet длиной 12 144 бита составляет менее 30 %. Большая часть фреймов будет потеряна. Но если их длина составит только одну треть (4048 бит), то две трети фреймов (то есть большинство) будут получены правильно, а число повторных передач снизится.

Уменьшения длины фреймов можно добиться, сократив максимальный размер сообщения, которое принимается от сетевого уровня. Кроме того, 802.11 позволяет разделять фреймы на фрагменты (fragments), каждый из которых снабжается отдельной контрольной суммой. Размер фрагмента не фиксирован, а является параметром, который может быть скорректирован точкой доступа. Фрагменты нумеруются и подтверждаются индивидуально с использованием протокола с ожиданием (то есть отправитель не может передать фрагмент с номером k + 1, пока не получит подтверждение о доставке фрагмента с номером k). Они идут один за другим с подтверждением (и возможно, с повторной отправкой) между ними, до тех пор пока весь фрейм не будет успешно передан или пока время передачи не достигнет заданного максимума. Представленный выше механизм NAV удерживает станции от передачи только до прихода первого подтверждения о доставке. Но есть и другой механизм (описанный далее), который позволяет получателю принять всю пачку фрагментов, без фреймов от других станций между ними.

Вторая потребность, которую мы обсудим, — экономия энергии. Время работы от аккумулятора для мобильных беспроводных устройств всегда представляет проблему. Стандарт 802.11 решает вопрос управления электропитанием, чтобы клиенты не тратили энергию впустую в отсутствие передачи или приема информации.

Экономия энергии обеспечивается главным образом за счет использования фреймов-маяков (beacon frames). Это периодические широковещательные сообщения, отправляемые точкой доступа (AP), например, каждые 100 мс. Фреймы сообщают клиентам о присутствии AP и содержат системные параметры: идентификатор AP, время, интервал до следующего маяка и настройки безопасности.

Клиенты могут вставить бит управления электропитанием во фреймы, с помощью которых они сообщают точке доступа о переходе в энергосберегающий режим (power-save mode). В этом режиме клиент может «дремать», а AP будет буферизовать предназначенный для него трафик. Чтобы проверить наличие входящего трафика, клиент «просыпается» при каждом приходе маяка и проверяет содержащуюся в нем карту трафика. Эта карта говорит клиенту о наличии буферизованного трафика. Если он есть, клиент посылает сообщение опроса в точку доступа и она передает буферизованный трафик. Затем клиент может вернуться в спящий режим до следующего маяка.

В 2005 году к 802.11 был добавлен другой энергосберегающий механизм, автоматический переход в режим сохранения энергии (Automatic Power Save Delivery, APSD). Точка доступа буферизирует фреймы и посылает их клиенту сразу после того, как он передает ей фреймы. Клиент может перейти в спящий режим, пока у него нет большего количества трафика для отправки (и получения). Этот механизм хорошо работает, например, в IP-телефонии (VoIP), где трафик часто идет в обоих направлениях. Например, беспроводной IP-телефон мог бы использовать APSD, чтобы посылать и получать фреймы каждые 20 мс (это намного чаще, чем интервал маяка в 100 мс), а в промежутках находиться в спящем режиме.

Третья, и последняя, потребность, которую мы исследуем, — это QoS. При конфликте высокоскоростного однорангового трафика и VoIP-трафика из предыдущего примера пострадает последний. Он будет передаваться с задержками, даже при том, что требования к пропускной способности у IP-телефонии невелики. Эти задержки, вероятно, понизят качество голосовых вызовов. Чтобы предотвратить это, нужно предоставить трафику IP-телефонии более высокий приоритет.

В IEEE 802.11 есть умный механизм, обеспечивающий этот вид QoS. Он был введен в 2005 году как набор расширений под названием 802.11e. Он расширяет CSMA/CA с помощью точно определенных интервалов между фреймами. После отправки фрейма, прежде чем любая станция сможет начать передачу, требуется определенное количество времени простоя, чтобы проверить, что канал больше не занят. Эта уловка должна определить различные временные интервалы для разных видов фреймов.

На илл. 4.28 изображено пять интервалов. Интервал между регулярными фреймами данных называется DIFS (DCF InterFrame Spacing — межфреймовый интервал DCF). Любая станция может попытаться захватить канал, чтобы послать новый фрейм после того, как среда была неактивна для DIFS. При этом действуют обычные правила конкуренции, включая двоичную экспоненциальную выдержку в случае коллизии. Самый короткий интервал — это SIFS (Short InterFrame Interval — короткий межфреймовый интервал). Он используется для того, чтобы одна из сторон в диалоге могла получить шанс начать первой.

Например, можно разрешить получателю отправить ACK или другие последовательности фреймов управления, такие как RTS и CTS, или разрешить отправителю передать пакет фрагментов. Отправка следующего фрагмента только после ожидания SIFS препятствует вмешательству другой станции во время обмена данными.

Илл. 4.28. Межфреймовые интервалы в стандарте 802.11

Два интервала AIFS (Arbitration InterFrame Space — арбитражный межфреймовый интервал) представляют собой примеры двух различных уровней приоритета. Короткий интервал AIFS1 короче DIFS, но длиннее SIFS. Он может использоваться точкой доступа, чтобы переместить голос или другой приоритетный трафик в начало очереди. AP ждет более короткого интервала, прежде чем отправить голосовой трафик. Таким образом, она передает его раньше регулярного трафика. Длинный интервал AIFS4 больше, чем DIFS. Он используется для фонового трафика, который может быть задержан до окончания передачи регулярного. Прежде чем отправить этот трафик, AP ждет в течение более длинного интервала, позволяя сначала передать регулярный трафик. Полный механизм QoS определяет четыре приоритетных уровня с различными параметрами выдержки и времени ожидания.

Последний временной интервал называется EIFS (Extended InterFrame Spacing — расширенный межфреймовый интервал). Он используется только той станцией, которая только что получила поврежденный или неопознанный фрейм и хочет сообщить о проблеме. Идея в том, что приемник может не сразу понять, что происходит, и ему нужно выждать какое-то время, чтобы не прервать текущий диалог между станциями.

Еще одна составляющая расширений QoS — понятие возможности передачи (TXOP, transmission opportunity). Первоначальный механизм CSMA/CA позволял станциям посылать один фрейм за раз. Это всех устраивало, пока диапазон скоростей не увеличился. В 802.11a/g одна станция могла отправлять фреймы со скоростью 6 Мбит/с, а другая — 54 Мбит/с. Каждая из них передает один фрейм, но первой станции нужно для отправки в 9 раз больше времени (не считая фиксированных накладных расходов), чем второй. У этого неравенства есть неприятный побочный эффект замедления быстрого отправителя, который конкурирует с медленным отправителем, примерно до скорости последнего. Например, если станции работают по отдельности, их собственные скорости — 6 и 54 Мбит/с (снова без учета накладных расходов). Но работая вместе, они обе получают среднюю скорость 5,4 Мбит/с, что является большой неприятностью для быстрого отправителя. Эта проблема известна как аномалия скорости (rate anomaly) (Хойс и др.; Heusse et al., 2003).

При использовании TXOP все станции получают равное количество времени передачи, а не одинаковое число фреймов. Станции с более высокой скоростью в этом периоде работают с большей пропускной способностью. В нашем примере отправители, совместно работающие со скоростями 6 и 54 Мбит/с, теперь достигнут 3 и 27 Мбит/с соответственно.

4.4.4. Стандарт 802.11: структура фрейма

Стандарт 802.11 определяет три класса фреймов, передаваемых по радиоканалу: информационные (фреймы данных), служебные и управляющие. Все они имеют заголовки с множеством полей, используемых подуровнем MAC. Кроме того, существуют поля, предназначенные для физического уровня, но они в основном относятся к методам модуляции, поэтому здесь не представлены.