Стек протоколов IEEE 802.11

Архитектура IEEE 802.11

Институт инженеров по электротехнике и электронике IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) сформировал рабочую группу по стандартам для беспроводных локальных сетей 802.11 в 1990 году. Эта группа занялась разработкой всеобщего стандарта для радиооборудования и сетей, работающих на частоте 2,4 ГГц, со скоростями доступа 1 и 2 Мбит/с. Работы по созданию стандарта были завершены через 7 лет, и в июне 1997 года была ратифицирована первая спецификация 802.11. Стандарт IEEE 802.11 являлся первым стандартом для продуктов WLAN от независимой международной организации, разрабатывающей большинство стандартов для проводных сетей.

В этом подразделе будет рассмотрена архитектура основного стандарта беспроводных локальных сетей — IEEE 802.11, а в следующем подразделе рассмотрим наиболее популярные стандарты: IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g и IEEE 802.11n.

Стек протоколов IEEE 802.11

Естественно, что стек протоколов стандарта IEEE 802.11 соответствует общей структуре стандартов комитета 802, то есть состоит из физического уровня и канального уровня с подуровнями управления доступом к среде MAC (Media Access Control) и логической передачи данных LLC (Logical Link Control). Как и у всех технологий семейства 802, технология 802.11 определяется нижними двумя уровнями, то есть физическим уровнем и уровнем MAC, а уровень LLC выполняет свои стандартные общие для всех технологий LAN функции

LLC подуровень	LLC
MAC подуровень	PCF
DCF
Физический уровень	802.11	802.11a	802.11b	802.11g	802.11n
2,4 ГГц FHSS 1 Мбит/с 2 Мбит/с	2,4 ГГц DSSS 1 Мбит/с 2 Мбит/с	5 ГГц OFDM До 54 Мбит/c	2,4 ГГц DSSS с CCK До 11 бит/c	2,4 ГГц OFDM До 54 бит/c	2,4 и 5 ГГц OFDM До 600 Мбит/c

Рисунок 3. Стек протоколов IEEE 802.11

На физическом уровне существует несколько вариантов спецификаций, которые отличаются используемым частотным диапазоном, методом кодирования и как следствие — скоростью передачи данных. Все варианты физического уровня работают с одним и тем же алгоритмом уровня MAC, но некоторые временные параметры уровня MAC зависят от используемого физического уровня.

Уровень доступа к среде стандарта 802.11

В сетях 802.11 уровень MAC обеспечивает два режима доступа к разделяемой среде:

функция распределенной координации DCF (Distributed Coordination Function);

функция централизованной координации PCF (Point Coordination Function).

 

Функция распределенной координации DCF

Рассмотрим сначала, как обеспечивается доступ в DCF. В этом режиме реализуется метод множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA). Вместо неэффективного в беспроводных сетях прямого распознавания коллизий по методу CSMA/CD, здесь используется их косвенное выявление. Для этого каждый переданный кадр должен подтверждаться кадром положительной квитанции, посылаемым станцией назначения. Если же по истечении оговоренного тайм-аута квитанция не поступает, станция-отправитель считает, что произошла коллизия.

Режим доступа DCF требует синхронизации станций. В спецификации 802.11 эта проблема решается достаточно элегантно — временные интервалы начинают отсчитываться от момента окончания передачи очередного кадра. Это не требует передачи каких-либо специальных синхронизирующих сигналов и не ограничивает размер пакета размером слота, так как слоты принимаются во внимание только при принятии решения о начале передачи кадра.

Рисунок.4. Распределенная координация DCF

Станция, которая хочет передать кадр, обязана предварительно прослушать среду. Стандарт IEEE802.11 предусматривает два механизма контроля за активностью в канале (обнаружения несущей): физический и виртуальный. Первый механизм реализован на физическом уровне и сводится к определению уровня сигнала в антенне и сравнению его с пороговой величиной. Виртуальный механизм обнаружения несущей основан на том, что в передаваемых кадрах данных, а также в управляющих кадрах АСК и RTS/CTS содержится информация о времени, необходимом для передачи пакета (или группы пакетов) и получения подтверждения. Все устройства сети получают информацию о текущей передаче и могут определить, сколько времени канал будет занят, т.е. устройство при установлении связи всем сообщает, на какое время оно резервирует канал. Как только станция фиксирует окончание передачи кадра, она обязана отсчитать интервал времени, равный межкадровому интервалу (Inter Frame Space, IFS). Если после истечения IFS среда все еще свободна, то начинается отсчет слотов фиксированной длительности. Кадр можно начать передавать только в начале какого-либо из слотов при условии, что среда свободна. Станция выбирает для передачи слот на основании усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки, аналогичного используемому в методе CSMA/CD. Номер слота выбирается как случайное целое число, равномерно распределенное в интервале [0, CW], где CW означает Contention Window - конкурентное окно).

Рассмотрим этот довольно непростой метод доступа на примере рисунок.4. Пусть станция А выбрала для передачи на основании усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки слот 3. При этом она присваивает таймеру отсрочки (назначение которого будет ясно из дальнейшего описания) значение 3 и начинает проверять состояние среды в начале каждого слота. Если среда свободна, то из значения таймера отсрочки вычитается 1, и если результат равен нулю, то начинается передача кадра.

Таким образом, обеспечивается условие незанятости всех слотов, включая выбранный. Это условие является необходимым для начала передачи.

Если же в начале какого-нибудь слота среда оказывается занятой, то вычитания единицы не происходит, и таймер «замораживается». В этом случае станция начинает новый цикл доступа к среде, изменяя только алгоритм выбора слота для передачи. Как и в предыдущем цикле, станция следит за средой и при ее освобождении делает паузу в течение межкадрового интервала. Если среда осталась свободной, то станция использует значение «замороженного» таймера в качестве номера слота и выполняет описанную выше процедуру проверки свободных слотов с вычитанием единиц, начиная с замороженного значения таймера отсрочки.

Размер слота зависит от способа кодирования сигнала; так, для метода FHSS размер слота равен 28 мкс, а для метода DSSS — 1 мкс. Размер слота выбирается таким образом, чтобы он превосходил время распространения сигнала между любыми двумя станциями сети плюс время, затрачиваемое станцией на распознавание занятости среды. Если такое условие соблюдается, то каждая станция сети сумеет правильно распознать начало передачи кадра при прослушивании слотов, предшествующих выбранному ею для передачи слоту. Это, в свою очередь, означает следующее.

Коллизия может случиться только в том случае, когда несколько станций выбирают один и тот же слот для передачи.

В этом случае кадры искажаются, и квитанции от станций назначения не приходят. Не получив в течение определенного времени квитанцию, отправители фиксируют факт коллизии и пытаются передать свои кадры снова. При каждой повторной неудачной попытке передачи кадра интервал [0, CW], из которого выбирается номер слота, удваивается. Если, например, начальный размер окна выбран равным 8 (то есть CW= 7), то после первой коллизии размер окна должен быть равен 16 (CW= 15), после второй последовательной коллизии — 32 и т. д. Начальное значение CW в соответствии со стандартом 802.11 должно выбираться в зависимости от типа физического уровня, используемого в беспроводной локальной сети.

Как и в методе CSMA/CD, в данном методе количество неудачных попыток передачи одного кадра ограничено, но стандарт 802.11 не дает точного значения этого верхнего предела. Когда верхний предел в N попыток достигнут, то кадр отбрасывается, а счетчик последовательных коллизий устанавливается в нуль. Этот счетчик также устанавливается в нуль, если кадр после некоторого количества неудачных попыток все же передается успешно.

Максимальная длина кадра данных 802.11 равна 2346 байт, длина RTS-кадра — 20 байт, CTS-кадра — 14 байт. Так как RTS- и CTS-кадры гораздо короче, чем кадр данных, то потери данных в результате коллизии RTS- или CTS-кадров гораздо меньше, чем при коллизии кадров данных. Процедура обмена RTS- и CTS-кадрами не обязательна. От нее можно отказаться при небольшой нагрузке сети, поскольку в такой ситуации коллизии случаются редко, а значит, не стоит тратить дополнительное время на выполнение процедуры обмена RTS- и CTS-кадрами.

При помехах иногда случается, что теряются большие кадры данных, поэтому можно уменьшить длину этих кадров, путём фрагментации. Фрагментация кадра ‑ это выполняемая на уровне MAC функция, назначение которой - повысить надежность передачи кадров через беспроводную среду. Под фрагментацией понимается дробление кадра на меньшие фрагменты и передача каждого из них отдельно. Предполагается, что вероятность успешной передачи меньшего фрагмента через зашумленную беспроводную среду выше. Получение каждого фрагмента кадра подтверждается отдельно; следовательно, если какой-нибудь фрагмент кадра будет передан с ошибкой или вступит в коллизию, только его придется передавать повторно, а не весь кадр. Это увеличивает пропускную способность среды.

Рисунок.5. Фрагментация кадра

Размер фрагмента может задавать администратор сети. Фрагментации подвергаются только одноадресные кадры. Широковещательные, или многоадресные, кадры передаются целиком. Кроме того, фрагменты кадра передаются пакетом, с использованием только одной итерации механизма доступа к среде DCF.

Хотя за счет фрагментации можно повысить надежность передачи кадров в беспроводных локальных сетях, она приводит к увеличению «накладных расходов» МАС-протокола стандарта 802.11. Каждый фрагмент кадра включает информацию, содержащуюся в заголовке 802.11 MAC, а также требует передачи соответствующего кадра подтверждения. Это увеличивает число служебных сигналов МАС-протокола и снижает реальную производительность беспроводной станции. Фрагментация — это баланс между надежностью и непроизводительной загрузкой среды.

Централизованная координация доступа PCF

В том случае, когда в сети имеется станция, выполняющая функции точки доступа, может применяться также централизованная координация доступа PCF, обеспечивающая приоритетное обслуживание трафика. В этом случае говорят, что точка доступа играет роль арбитра среды.

Режим доступа PCF в сетях 802.11 может сосуществовать с режимом DCF. Оба режима координируются с помощью трех типов межкадровых интервалов.

Рисунок 6. Сосуществование режимов PCF и DCF

После освобождения среды каждая станция отсчитывает время простоя среды, сравнивая его с тремя значениями:

короткий межкадровый интервал (Short IFS, SIFS);

межкадровый интервал режима PCF (PIFS);

межкадровый интервал режима DCF (DIFS).

Захват среды с помощью распределенной процедуры DCF возможен только в том случае, когда среда свободна в течение времени, равного или большего, чем DIFS. То есть в качестве IFS в режиме DCF нужно использовать интервал DIFS— самый длительный период из трех возможных, что дает этому режиму самый низкий приоритет.

Межкадровый интервал SIFS имеет наименьшее значение, он служит для первоочередного захвата среды ответными CTS-кадрами или квитанциями, которые продолжают или завершают уже начавшуюся передачу кадра.

Значение межкадрового интервала PIFS больше, чем SIFS, но меньше, чем DIFS. Промежутком времени между завершением PIFS и DIFS пользуется арбитр среды. В этом промежутке он может передать специальный кадр, который говорит всем станциям, что начинается контролируемый период. Получив этот кадр, станции, которые хотели бы воспользоваться алгоритмом DCF для захвата среды, уже не могут этого сделать, они должны дожидаться окончания контролируемого периода. Длительность этого периода объявляется в специальном кадре, но этот период может закончиться и раньше, если у станций нет чувствительного к задержкам трафика. В этом случае арбитр передает служебный кадр, после которого по истечении интервала DIFS начинает работать режим DCF.

На управляемом интервале реализуется централизованный метод доступа PCF. Арбитр выполняет процедуру опроса, чтобы по очереди предоставить каждой такой станции право на использование среды, направляя ей специальный кадр. Станция, получив такой кадр, может ответить другим кадром, который подтверждает прием специального кадра и одновременно передает данные (либо по адресу арбитра для транзитной передачи, либо непосредственно станции).

Для того чтобы какая-то доля среды всегда доставалась асинхронному трафику, длительность контролируемого периода ограничена. После его окончания арбитр передает соответствующий кадр и начинается неконтролируемый период.

Каждая станция может работать в режиме PCF, для этого она должна подписаться на эту услугу при присоединении к сети.

Кадр MAC-подуровня

На изображен формат кадра 802.11. Приведенная общая структура используется для всех информационных и управляющих кадров, хотя не все поля используются во всех случаях.

FC— управление кадром

D/I— идентификатор длительности/соединения

SC— управление очередностью

Рисунок 7. Формат кадра MAC IEEE 802.11

Перечислим поля общего кадра:

Управление кадром. Указывается тип кадра и предоставляется управляющая информация (объясняется ниже).

Идентификатор длительности/соединения. Если используется поле длительности, указывается время (в микросекундах), на которое требуется выделить канал для успешной передачи кадра MAC. В некоторых кадрах управления в этом поле указывается идентификатор ассоциации, или соединения.

Адреса. Число и значение полей адреса зависит от контекста. Возможны следующие типы адреса: источника, назначения, передающей станции, принимающей станции.

Управление очередностью. Содержит 4-битовое подполе номера фрагмента, используемое для фрагментации и повторной сборки, и 12-битовый порядковый номер, используемый для нумерации кадров, передаваемых между данными приемником и передатчиком.

Тело кадра. Содержит модуль данных протокола LLC или управляющая информация MAC.

Контрольная последовательность кадра. 32-битовая проверка четности с избыточностью.

 

Поле управления кадром, показанное на рисунке состоит из следующих полей:

Версия протокола. Версия 802.11, текущая версия ‑ 0.

Тип. Определим тип кадра: контроль, управление или данные.

Подтип. Дальнейшая идентификация функций кадра. Разрешенные сочетания типов и подтипов перечислены в таблице 1.

Значение типа	Описание типа	Зна-ие подтипа	Описание подтипа
	Управление		Запрос ассоциации
	Управление		Ответ на запрос ассоциации
	Управление		Запрос повторной ассоциации
	Управление		Ответ на запрос повторной ассоциации
	Управление		Пробный запрос
	Управление		Ответ на пробный запрос
	Управление		Сигнальный кадр
	Управление		Объявление наличия трафика
	Управление		Разрыв ассоциации
	Управление		Аутентификация
	Управление		Отмена аутентификации
	Контроль		PS-oпpoc
	Контроль		Запрос передачи
	Контроль		«Готов к передаче»
	Контроль		Подтверждение
	Контроль		Без состязания (СF)-конец
	Контроль		CF-конец + CF-подтверждение
	Данные		Данные
	Данные		Данные + CF-подтверждение
	Данные		Данные + CF-oпpoc
	Данные		Данные + CF-подтверждение + CF-oпpoc.
	Данные		Нулевая функция (без данных)
	Данные		Данные + CF-подтверждение
	Данные		Данные + CF-oпpoc
	Данные		Данные + CF-подтверждение + CF-oпpoc

Таблица.1. Разрешенные комбинации типа и подтипа

К DS. Координационная функция MAC присваивает этому биту значение 1, если кадр предназначен распределительной системе.

От DS. Координационная функция MAC присваивает этому биту значение 0, если кадр исходит от распределительной системы.

Больше фрагментов. 1, если за данным фрагментом следует еще несколько.

Повтор. 1, если данный кадр является повторной передачей предыдущего.

Управление мощностью. 1, если передающая станция находится в режиме ожидания.

Больше данных. Указывает, что станция передала не все данные. Каждый блок данных может передаваться как один кадр или как группа фрагментов в нескольких кадрах.

WEP. 1, если реализован алгоритм конфиденциальности проводного эквивалента (Wired Equivalent Privacy, WEP). Протокол WEP используется для обмена ключами шифрования при безопасном обмене данными.

Порядок. 1, если используется услуга строгого упорядочения, указывающая адресату, что кадры должны обрабатываться строго по порядку.

 

DS— система распределения MD— больше данных

MF— больше фрагментов W—бит защиты проводного эквивалента

RT— повтор 0 — порядок

РМ — управление мощностью