Сверхширокополосные технологии передачи информации

Стандарт определяет спецификации двух уровней модели OSI: физический уровень и канальный уровень в части управления средой доступа.

Сеть стандарта 802.11 поддерживает базовые службы для возможности совместимости с проводной локальной сетью. Прежде всего, это службы, обеспечивающие взаимодействие компьютеров, подключенных к беспроводной сети на MAC уровне с локальной сетью, и службы, решающие задачи аутентификации, безопасности и конфиденциальности.

Уровень MAC стандарта 802.11 реализует доставку данных, управление доступом к физическому уровню и безопасность передачи данных.

Известно, что в радиоканалах из-за воздействия большого количества факторов, таких как помехи, шум, искажения, затухание, отражения и пр., возможны потери данных. Для исключения потерь данных в стандарте предусмотрены использование помехоустойчивого кодирования и повторная передача по запросу на MAC уровне. Благодаря запросу повторной передачи пакет данных MAC уровня будет обязательно доставлен адресату.

Базовый алгоритм соединения для передачи данных содержит два действия: передачу кадра данных от источника и передачу подтверждения приема (АСК) от получателя источнику сообщения. Для повышения надежности передачи данных имеется алгоритм с обменом четырьмя кадрами (рисунок 25).

Рисунок 25 - Алгоритм установления соединения с использованием запроса передачи

 

АС - источник передает кадр запроса передачи (RTS) и тем самым оповещает все АС в зоне радиовидимости о том, что происходит обмен информацией. Все станции, принявшие кадр RTS воздерживаются от передачи для исключения конфликтов. АС - получатель отвечает АС - источнику кадром готовности к приему (CTS). После приема кадра CTS АС - источник передает кадр данных, а АС - получатель после приема кадра данных передает кадр подтверждения приема (АСК). Для управления доступом к физической среде стандартом используется протокол DFW MAC, который основан на контроле несущей и устранении конфликтов путем подтверждения приема данных при многостанционном доступе (протокол доступа CSMA-CA).

Для определения, занят или нет  канал используется алгоритм оценки уровня сигнала в канале (ССА), предусматривающий  измерение мощности сигналов на входе  приемника (RSSI) и качества сигнала (SQ). Если мощность сигналов на входе приемника ниже наперед заданного порогового значения, то канал считается свободным, и на уровне доступа к каналу (MAC) состояние канала устанавливается равным «свободен» (CTS). Если мощность принятых сигналов выше порогового значения, то передача данных не производится в соответствии с протоколом. Протокол DFW MAC за счет процедуры подтверждения приема и повторной передачи на уровне MAC позволяет восстанавливать данные на низком уровне, что обеспечивает надежность связи в условиях конфликтов при доступе к общей среде и внешних помех.

Конфликты между передаваемыми  пакетами возможны, так как распознавание приемником несущей уже передаваемого сигнала другими АС затруднено из-за существенного

разброса амплитуд сигналов вследствие затухания распространения, а также из - за того, что АС стандарта 802.11 работают в полудуплексном режиме, поэтому во время передачи данных не принимают сигналы, а следовательно, не обнаруживают конфликты. В результате возможны ошибки в принятии решения о занятости канала и, следовательно, одновременная передача пакетов двумя или более АС. Устранение этого недостатка обеспечивается уменьшением зоны обслуживания, либо расширением динамического диапазона приемников АС, определяющих наличие чужой несущей в канале.

Протокол DFW MAC позволяет вводить  приоритеты для передачи сигналов с различной категорией важности либо с повышенными требованиями к задержке передачи. Приоритеты реализуются через введение задержки разрешения захвата канала. Это возможно благодаря «соревновательному» принципу захвата канала абонентской станцией: первая начавшая передачу после освобождения канала АС занимает канал (рисунок 26, а). Протокол CSMA/CA с задержкой разрешения захвата канала функционирует следующим образом. Абонентская станция, готовая к передаче данных, прослушивает канал и, если канала свободен, то АС задерживает передачу данных на время задержки разрешения захвата. Передача данных начинается, если в момент времени    канал оказывается свободным.

Таким образом, если канал  занят либо занимается другой АС в  течение времени задержки разрешения захвата, канал абонентской станцией, у которой

установлено данное значение , не может быть занят.

Поэтому, если освобождение канала для передачи данных ожидают одновременно две АС с разными значениями , то канал после освобождения будет занят той АС, у которой , меньше (рисунок 26, б).

 

Рисунок - 26 Принцип захвата канала абонентской станцией: а - протокол DFW MAC; б - протокол CSMA/CA.

 

Если АС с меньшим не требуется передача пакетов данных, то канал может занять АС₂. Однако в любом случае абонентские станции с имеют преимущество по захвату канала, так как меньшее время дает им возможность первоочередного захвата канала. Это реализует приоритетную передачу информации.

В DFW MAC используется три значения задержки захвата каналов. Наименьшая задержка захвата используется для сообщений, требующих минимальной задержки передачи, например речи. Для управляющей информации имеет место среднее значение задержки занята, и наибольшее значение задержки захвата используется для асинхронной передачи данных.

Минимальная задержка захвата служит для передачи пакета подтверждения  приема данных, передачи блока данных уровня LLC, который разбивается на несколько пакетов МАС - уровня.

При передаче многопакетного сообщения LLC - уровня каждый пакет уровня MAC передается АС отдельно. После получения пакета АС - получатель через минимальную задержку отправляет кадр подтверждения приема, после получения которого с минимальной задержкой начинается передача следующего пакета многопакетного сообщения. В результате, если                   АС - передатчик захватила канал, то он будет удерживаться на все время передачи пакетов благодаря минимальной задержке захвата канала.

Структура кадра MAC стандарта 802.11 приведена на рисунке 27.

 

Рисунок 27 - Структура МАС - кадра

 

Поле управления кадром используется для указания типа кадра и передачи битов управления (рисунке 28). Версия протокола 802.11 обозначается двумя битами и допускает четыре варианта. Кадры уровня MAC могут содержать информацию управления, данные и информацию контроля состояния оборудования. Детализация действий АС после приема кадра содержится в поле указателя действий, состоящем из четырех бит.

Рисунок 28 - Структура поля управления

 

Указатели направления передачи данных показывают, кому предназначены данные: распределительной системе (к точкам доступа) или АС, и источник данных. Если количество пакетов MAC больше одного и передаваемый пакет не последний, то указатель количества пакетов устанавливается в единичное состояние. Если пакет передается повторно, то указатель повторной передачи RT имеет единичное состояние. Указатель режима излучения используется для включения режимов энергосбережения. Если текущим кадром МАС - уровня не исчерпываются все предназначенные к передаче данные, то указатель MD количества данных устанавливается в единичное состояние, что соответствует неполной передаче данных.

Единичное состояние  указателя использования алгоритма  шифрования и конфиденциального  обмена ключами в соответствии с  протоком WEP говорит о применении алгоритмов шифрования.

В случае если кадры MAC содержат данные, последовательность которых строго упорядочена, то указатель соблюдения очередности устанавливается в единичное состояние.

Потоковые данные, такие как видео или голос, поддерживаются в спецификации 802.11 на МАС - уровне посредством протокола централизованной координации (PCF). В противоположность протоколу распределенной координации (DCF), где управление распределено между всеми станциями в режиме PCF только точка доступа управляет доступом к каналу. В том случае если установлен BSS с включенной PCF, время равномерно распределяется промежутками для работы в режимах PCF и CSMA/CA. Во время периодов, когда система находится в режиме PCF, точка доступа опрашивает все станции на предмет получения данных. На каждую станцию выделяется фиксированный промежуток времени, по истечении которого производится опрос следующей станции. Ни одна из станций не может передавать в это время за исключением опрашиваемой. Так как PCF дает возможность каждой станции передавать в определенное время, то гарантируется максимальная латентность. Недостатком такой схемы считается то, что точка доступа должна опрашивать все станции, что чрезвычайно не эффективно в больших сетях.

В целом поле управления позволяет передавать информацию о необходимых действиях при организации приема - передачи данных в сети стандарта 802.11.

Поле длительности соединения указывает время в микросекундах, которое требуется при передачи МАС - кадра. Иногда в этом поле указывается идентификатор соединения.

В МАС - кадре может быть указано четыре поля адреса: адрес источника, адрес получателя данных, адрес передающей АС и адрес приемной АС.

В поле управления очередностью указываются номер пакета (4 бита), используемый при разбиении исходного сообщения на пакеты и последующей сборки, и порядковый номер (12 бит), который служит для нумерации кадров, передаваемых между конкретными АС.

В поле данных передаются либо данные LLC - уровня, либо информация управления уровня MAC.

Для обнаружения ошибок в принимаемом кадре применяется 32 - битовое поле проверки на четность. Ошибки только обнаруживаются. Исправление ошибок достигается в необходимых случаях повторной передачей по запросу.

Образующий полином  двоичного кода проверки на четность задается выражением

g(x) = x36 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x4 + x2 + x + 1,

(14)

В кадрах MAC передачи данных могут  содержаться передаваемая информация о поле данных подтверждения получения  переданной ранее информации, и поле запроса передачи данных у АС, которые содержатся в ее буферной памяти и готовы к передаче.

В кадрах управления имеются  информационные поля, обеспечивающие соединение АС и точек доступа. Это такие команды и сигналы, как запрос соединения с точкой доступа, ответ на запрос соединения точки доступа, запрос повторного соединения с точкой доступа, ответ на запрос повторного соединения, разрыв соединения.

АС может также уведомлять другие АС и точку доступа о наличии в своем буфере данных сообщения и готовности к его передаче. Такое уведомление приводит к переводу АС, второй предназначено сообщение, из режима пониженного энергопотребления в обычный режим функционирования.

На уровне MAC в стандарте 802.11 реализуются функции идентификации взаимодействующих АС. В системах радиодоступа доступность абонентских станций определяется зоной радиовидимости базовой станции (точки доступа) и взаимной радиовидимости АС, в то время как в проводных сетях доступ к каналу обеспечивается только при подключении к соответствующему кабелю. Поэтому для выделения среди всех имеющихся в зоне радиовидимости АС тех АС, которые имеют право на соединение с использованием сети радиодоступа, применяется процедура аутентификации (идентификации) АС.

В стандарте 802.11 реализованы  процедуры с открытой системой аутентификации абонентских станций и с использованием открытого ключа.

В первом случае АС и точка  доступа договариваются о соединении и передаче данных без учета вопросов безопасности передачи: абонентская станция передает кадр аутентификации (кадр управления MAC), в котором указывается режим открытой аутентификации; а ответная сторона также передает свой кадр аутентификации. После получения этого кадра процесс аутентификации завершен, и АС готовы к передаче сообщений.

Во втором случае у обеих взаимодействующих АС должен быть общий ключ, недоступный другим АС, не входящим в сеть. Тогда АС посылает кадр аутентификации вида «общий ключ» и идентификатор AQ. В ответ АС  передает кадр аутентификации с 128-байтовым полем запроса, данные в котором формируются генератором случайных чисел и алгоритмом шифрования WEP. Полученные AQ данные поля запроса шифруются алгоритмом WEP и включаются в кадр аутентификации передаваемой AC₁.

Если ключи на AC₁ и АС  совпадают, то полученный кадр АС  будет правильно дешифрован, и в результате сравнения переданных и принятых (дешифрованных) данных обнаружится их совпадение; принимается решение о возможности соединения, т.е. аутентификация прошла успешно. В случае несовпадения переданных и дешифрованных данных аутентификация считается неуспешной и соединение между AC₁ и АС  невозможно.

В стандарте 802.11 особое внимание уделяется вопросам безопасности передачи данных, так как любая АС, находящаяся в зоне видимости передающей АС, способна принимать передаваемую информацию. В стандарте 802.11 для обеспечения безопасности передачи данных используется один из алгоритмов шифрования с открытым ключом.

Возможности стандарта 802.11 по передаче данных, в частности, такая  характеристика как скорость передачи, определяются характеристиками физического уровня оборудования.

Физический уровень стандарта 802.11, который может быть реализован в двух вариантах: с использованием сигналов с прямым расширением спектра (DSSS) и сигналов с псевдослучайной перестройкой частоты (FHSS).

В обоих случаях скорость модуляции равна 1 Мбод. При использовании сигналов DSSS каждый информационный символ заменяется на прямую (передача 1) или инверсную (передача 0) последовательность кода Баркера (рисунок 29).

Рисунок 29 - Получение модулирующего сигнала

 

Апериодическая корреляционная функция (КФ) кода Баркера представлена на рисунке 30, а. Периодическая КФ приведена на рисунке 30, б.