Историческая справка
Термин "Ethernet" обязан своему рождению радиосети коллективного доступа, разработанной в Гавайском университете в 70-х годах прошлого века. Дословно с латыни оно означает "эфирная сеть". Термин "алоха" до сих пор связывается с асинхронным принципом доступа, использованным в этой сети. По-гавайски "алоха" означает "привет".
Со временем латынь и гавайский забылись. Принцип доступа чаще именуют термином Ethernet, а радиосети иногда "RadioEthernet"! Истоки такой некорректности понятны: так сложилось, что принцип, заложенный в алгоритм доступа, большинству знаком по проводных компьютерным сетям стандартов IEEE 802.3. В то же время группу стандартов радиодоступа IEEE 802.11 для диапазонов 2,4 и 5 ГГц, хотя и можно считать наследником первой сети "Ethernet", принцип доступа в нем несколько иной.
Локальные сети стандарта 802.11 с точкой доступа в последнее время получили распространение под маркой Wi-Fi. Сами точки доступа - hot spots. Идея объединения подобных сетей в единую сеть доступа выражается сегодня термином WiMAX. Более того, одноименный форум преследует цель объедения различных, территориально распределенных сетей беспроводного доступа, что и отражает расшифровка термина - Worldwide Interoperability for Microwave Access - глобальная совместимость для микроволнового доступа. Для достижения этой цели разработана группа стандартов IEEE 802.16 для диапазона 2-11 ГГц.
Изначально целью комитета IEEE 802.16 было создание стандарта для широкополосных городских беспроводных сетей передачи данных (WMAN - Wireless Metropolian Access Network) с фиксированным доступом в диапазоне 10-66 МГц. Идейная сторона стандарта была поддержана группой производителей беспроводного доступа, в результате чего в комитете образовалась группа d комитета IEEE 802.16 для разработки стандарта в диапазоне 2-11 ГГц.
Идея создания городских радиосетей отчасти давно реализована. Ее инициатором, как ни странно, оказалась Россия. Оборудование стандарта 802.11, задуманное комитетом IEEE для офисных локальных сетей (ЛС), в российских офисах не прижилось. Зато появились операторы городских сетей, охватившие ими многие города России. Операторы давно предоставляют корпоративные каналы доступа для офисов и домовых компьютерных сетей, в частности в Интернет. Сначала это были сети диапазона 2,4 ГГц на базе стандарта 802.11b, затем - более защищенные от перехвата сети диапазона 5 ГГц на базе стандарта 802.11a. Крупнейшими операторами являются Art Communications, Quantum, "Медиа Сети". Подобными операторами, прежде всего, и были организованы в России точки доступа Wi-Fi.
Неудобство при организации подобных сетей вносит не всегда совместимое оборудование разных производителей, прежде всего для базовых станций. В этой связи появление форума WiMAX, объединяющего производителей оборудования, в целом является положительным фактором. Оборудование WiMAX должно выполнять, прежде всего, функцию транспортной сети оператора и последней мили подобно проводным DSL линиям.
Стандарты 802.11
Эти стандарты описывают два нижних уровня модели взаимодействия открытых систем (OSI) - физический и уровень контроля доступа к среде передачи (MAC - Medium Access Control).
Стандарты IEEE 802.11 (a,b,g) отличатся лишь физическим уровнем. Так, стандарт 802.11a предназначен для диапазона 5 ГГц, 802.11b и 802.11g - для диапазона 2,4 ГГц. Стандарт 802.11b использует сигналы с расширением спектра путём псевдослучайной перестройки частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) или умножения информационного сигнала на фазоманипулированную псевдослучайную последовательность (Direct-Sequence Spread-Spectrum, DSSS). При этом, однако, оказывается возможным организация сетей лишь при наличии прямой видимости между двумя узлами сети. Стандарты 802.11g и 802.11a используют составные сигналы, представляющие собой сумму большого числа ортогональных между собой гармонических сигналов (несущих). Большинство несущих модулируется одним из стандартных амплитудно-фазовых методов. В результате сигнал переносит большое число информационных бит. Небольшая часть несущих не модулируется и используется для двух целей. Во-первых, для оценки частотной характеристики радиоканала и последующей коррекции частотной характеристики приемного устройства. Устройство, реализующее алгоритм коррекции, часто называют эквалайзером. Во-вторых, для фазовой синхронизации при когерентной демодуляции. Метод носит название метода с ортогональным частотным разделением и мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Метод в сочетании с защитным интервалом позволяет повысить надежность приема многолучевого сигнала, вызванного многократным отражением сигнала прямого луча от различных предметов. Более того, возможен прием лишь отраженного сигнала. В результате оказывается возможным организация сетей при отсутствии прямой видимости между двумя узлами сети. (Подобный метод сегодня используется во многих радиосистемах, к примеру, в цифровом телевидении на основе европейского стандарта DVB-T.)
Все стандарты IEEE 802.11 (a,b,g) используют один протокол MAC. Более того, протокол не зависит от двух возможных топологий (ЛС): "точка-точка" и "звезда". В первом случае любая станция может обмениваться с любой другой станцией, во втором - обмен данными между станциями производится через выделенную точку доступа. Поэтому для сети типа "звезда" протокол MAC относится к алгоритму обмена данными между станцией и точкой доступа, которая может выступать в качестве моста для внешней сети.
| Условие передачи сигнала RTS (Ready To Send) готовности передать информационный пакет | Время прослушивания несущей | Механизм обнаружения доставки пакета информации | Механизм избежания коллизий | Длительность паузы после k-ой попытки передачи информационного пакета | |
| Перед попыткой передачи информационного пакета | Условие передачи пакета информации | ||||
| В канале не обнаружена несущая | t | По квитанции от узла-получателя-сигнал ACK | Передача сигнала RTS (Ready To Send) | Получена квитанция- сигнал CTS(Clear To Send) | Lt, где t - целое, равномерно распределённое случайное число из интервала (0;2^k`) , где k`=k, k=1,2,...,10 k`=10, k=11,12,...,k |
Для доступа к радиоканалу в стандартах 802.11 применяется метод коллективного доступа с обнаружением несущей и избежанием коллизий (Carrier Sense Multiple Access /Collision Avoidance, CSMA/CA, таблица 1), в отличие от метода коллективного доступа с опознанием несущей и обнаружением коллизий (Сarrier-Sense-Multiply-Access With Collision Detection, CSMA/CD) для проводных сетей Ethernet стандарта 802.3 (таблица 2).
| Условие передачи информационного пакета | Механизм обнаружения коллизий | Время прослушивания канала узлом-источником | Реакция на обнаружение коллизии в канале | Длительность паузы после k-ой попытки передачи информационного пакета |
В канале не обнаружены:
| Прослушиванием информации в канале и сравнения её с переданной информацией | t | Передача 32-битовой jam-последовательности | Lt, где L - целое равномерно распределённое случайное число из интервала (0;2^k`) , где k`= k, k=1,2,...,10 k`=10, k=11,12,...,kmax |
В проводном стандарте 802.3 заложены ставшие классическими принципы: все узлы сети разделяют общую среду передачи; передача ведется по принципу "один говорит - все слушают"; узел осуществляет передачу только в "тишине"; в случае одновременного начала передачи двумя или более узлами сети предоставляется повторная попытка передачи после паузы, длительность которой является псевдослучайным числом согласно алгоритму в таблице 2.
При беспроводном доступе по стандарту 802.11 станция-отправитель сначала делает запрос станции-получателю на разрешение передачи информационного пакета. Таким образом, доступ к общему каналу осуществляется по запросу (Demand Assigned Multiple Access, DAMA). Лишь после ответа от получателя станция отправляет информационный пакет. Этот ответ "слышен" и всеми остальными станциями. Для них он означает запрет выхода в эфир на время передачи информационного пакета от станции, запросившей доступ к радиоканалу. Прием информационного пакета этой станцией подтверждается сигналом-квитанцией от станции-получателя.
Если попытка доступа запроса доступа оказалась неудачной, станция-отправитель повторяет процедуру после паузы, длительность которой является псевдослучайным числом согласно алгоритму в таблице 1.
В терминологии стандарта 802.11 алгоритм состоит в следующем. Перед тем как послать данные в "эфир", станция сначала отправляет специальное сообщение, называемое RTS (Ready To Send), которое трактуется как готовность данного узла к отправке данных. Такое RTS сообщение содержит информацию о продолжительности предстоящей передачи и об адресате и доступно всем узлам в сети. Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция, получив сигнал RTS, отвечает посылкой сигнала CTS (Clear To Send), свидетельствующего о готовности станции к приему информации. Этим реализуется рукопожатие (handshake) станций. После этого передающая станция посылает информационный пакет, а приемная должна передать сигнал ACK, подтверждающий безошибочный прием. Если сигнал АСК не получен, попытка передачи информационного пакета будет повторена. Таким образом, используется четырехэтапный протокол передачи данных (4-Way Handshake).
Рассмотренный алгоритм доступа отчасти является симбиозом алгоритма проводного стандарта 802.3 и простейшего асинхронного алгоритма доступа, как иногда говорят, типа "алоха" (таблица 3). В случае отсутствия сигнала-квитанции отправитель предпринимает очередную попытку через случайный интервал времени.
| Условие передачи информационного пакета | Механизм обнаружения доставки пакета информации | Длительность паузы после k-ой попытки передачи пакета информации длительностью T |
| В канале не обнаружена несущая | По квитанции от узла-получателя | LT , где L -случайное равномерно распределённое число из интервала (2;2^2k+2) |
Стандарты 802.16
Сегодня разработано несколько документов физического и MAC уровней: 802.16, 802.16a и 802.16-2004. Спецификации 802.16 и 802.16a разработаны в 2001 и 2003 гг. В 2004 году группой d комитета IEEE 802.16 принят документ 802.16-2004. По заявлению группы, этот документ вобрал в себя все предыдущие. Поэтому ранее разработанные документы теряют свою актуальность. В дальнейшем, где нет двойственного толкования, просто будем говорить о стандарте 802.16.
Стандарт описывает две топологии сети: топологию "точка-многоточка" и полносвязную топологию (Mesh). Под "точкой" понимается базовая станция (БС), под "многоточкой" - различные абонентские станции (АС). Под АС, например, можно понимать точки доступа локальных сетей стандарта 802.11. В свою очередь, группу из БС также можно рассматривать как "многоточку", управляемую более мощной БC. В результате образуется сетевая иерархия, объединяющая различные беспроводные сети. Для этого стандартом является механизм связи с протоколами верхнего уровня - ATM и IP. Так может быть организована районная или городская сеть.
Полносвязная топология позволит организовать сеть между АС без БС. В дальнейшем ограничимся рассмотрением первой конфигурации с БС.
Идеология взаимодействия БС с АС по стандарту 802.16 во многом напоминает идеологию взаимодействия головной станции с абонентскими модемами в сетях кабельного телевидения по стандарту DOCSIS (см. Приложение к статье). Во многом схожа и терминология.
В терминологии стандарта 802.16 направление передачи данных от АС к БС называется восходящим каналом (Uplink). Направление передачи данных от БС к АС - нисходящим (Downlink). Каналы могут иметь не перекрывающиеся полосы частот. При этом производится двунаправленная (дуплексная) передача данных с частотным разделением (Frequency Division Duplex, FDD). Возможно также использование одной полосы частот для обоих каналов. В этом случае производится временное разделение восходящего и нисходящего каналов (Time Division Duplex, TDD). При временном разделении каналов соотношение во времени доступа к общей полосе частот может гибко изменяться в процессе работы в зависимости от потребности нисходящего и восходящих каналов.
Передача данных в нисходящем канале производится в едином транспортном потоке с временным разделением пакетов для всех АС одного сектора антенны БС (Tme Division Multiplex, TDM). Каждая АС принимает весь поток пакетов и выбирает "свои" пакеты по заголовку.
При передаче данных в восходящем канале доступ к каналу осуществляется не на уровне АС, а на уровне сервисного потока. Трафик отдельной АС может состоять из нескольких таких потоков, связанных с определенными сервисами (приложениями). Такими сервисами могут быть, к примеру, IP телефония, видеоданные, доступ в Интернет и т.п. В результате одна АС может устанавливать множество соединений, каждое из которых требует своего качества обслуживания (Quality of Service, QoS) и скорости передачи. Поэтому каждому соединению присваивается 16-разрядный идентификатор соединения (Connection ID, CID). При начальной регистрации в сети каждой АС назначается три CID для служебных сообщений.
Предусмотрено несколько вариантов алгоритма доступа к восходящему каналу. Первый алгоритм доступа состоит из двух фаз. Первая фаза выполняется в специально выделенном интервале времени при регистрации АС в сети и/или при запросе у БС изменения уже предоставленного ей канального ресурса (полосы). Она напоминает первую фазу стандарта 802.11 (DAMA): АС посылает запрос БС на доступ. При отсутствии коллизии этого сигнала с аналогичным сигналом от другой АС, БС разрешает доступ, выделяя для этого АС временной интервал (слот). Вторая фаза доступа к каналу производится в интервале слота. При этом все остальные АС "молчат" и передача информации производится без коллизий. Таким образом, для доступа к восходящему каналу используется сочетание запроса на доступ и разделение во времени (Time Division Multiplexing Access, TDMA).
Модификацией рассмотренного алгоритма является алгоритм доступа с плановым опросом (Polling) БС всех АС об их потребностях. При этом, после регистрации АС в сети с использованием алгоритма DAMA, БС предоставляет АС специальный слот (а не специально выделенный для всех АС интервал времени) для передачи запроса о предоставлении/изменении полосы. При этом коллизии также отсутствуют. Возможны два специальных варианта алгоритма опроса:
- Приоритетное предоставление канала в реальном времени (Real-Time Polling Service (rtPS). При этом специальные слоты для запроса предоставляются АС с тем же периодом, с каким у нее может возникнуть потребность в изменении условий доступа. Этот режим удобен для приложений, когда пакеты данных следуют с фиксированным периодом, но их размер не стабилен (например, пакеты MPEG-2).
- Приоритетное предоставление канала вне реального времени (Non-Real-Time Polling Service (nrtPS). В этом случае БС предоставляет АС специальные слоты для запроса периодически, но период этот существенно больше. Этот режим эффективен для FTP протокола.
Стандартом также предусмотрен вариант доступа для сервисов, у которых период и размер пакетов фиксирован, к примеру, как в IP телефонии. В этом случае БС с заданным периодом предоставляет АС для передачи данных слоты фиксированного размера, соответствующие скорости потока данных. Если АС требуется изменить параметры доступа, она может передать БС сообщение "опроси меня". Это режим носит название Unsolicited Grant Service (UGS).
На физическом уровне в стандарте предусмотрено использование ОFDM. Возможен также метод доступа к восходящему каналу на основе ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiply Access - OFDMA).
Вариант мобильного доступа в стандарте 802.16
Сегодня речь идет и о массовом выпуске мобильных устройствах стандарта 802.16е. По сути, эти устройства можно назвать персональными АС. Стандарт 802.16е должен решить проблему автоматического "рукопожатия" АС с БС при переходе мобильных абонентов в зону охвата другой БС. Этот "бесшовный" переход в мобильной связи называют "Handover". В этом отличие сетей фиксированной связи от сетей мобильной связи согласно правительственной классификации сетей доступа. На сегодняшний день, однако, массовый выпуск таких устройств стандарта 802.16e не налажен.
Приложение
Идеология взаимодействия БС с АС по стандарту 802.16 во многом напоминает идеологию взаимодействия головной станции (ГС) с абонентскими модемами (АМ) в сетях кабельного телевидения (КТВ) по стандарту DOCSIS. Во многом схожа и терминология. Принципиальное терминологическое различие в том, что прямым каналом в DOCSIS называется канал для передачи данных от ГС к АМ (вещательный канал с точки зрения КТВ), а обратным - канал для передачи данных в направлении от АМ к ГС.
Полосы частот прямого и обратного каналов не перекрываются. При этом говорят о двунаправленной передаче данных (дуплексной) с частотным разделением (Frequency Division Duplex, FDM). Передача данных в прямом канале производится в едином транспортном потоке с временным разделением абонентских пакетов (Tme Division Multiplex, TDM).
Доступ к обратному каналу разделяется между абонентами. Алгоритм доступа состоит из двух фаз. Первая фаза производится в момент регистрации модема в сети и напоминает первую фазу стандарта 802.11 (DAMA): АМ сначала посылает запрос по обратному каналу для ГС на доступ. При отсутствии коллизии этого сигнала с аналогичным сигналом от другого АМ ГС разрешает доступ, выделяя для этого модему временной интервал (слот). Вторая фаза доступа к каналу производится в интервале слота. При этом все остальные модемы сети "молчат" и передача информации производится без коллизий. Таким образом, для доступа к обратному каналу используется сочетание запроса на доступ и разделение во времени (Time Division Multiplexing Access, TDMA).
На сегодняшний день разработаны три версии стандарта DOCSIS: 1.0, 1.1, 2.0. Самая ранняя версия DOCSIS 1.0 позволяет получить модему нескольких слотов под общий трафик от модема в зависимости от класса сервиса (Class of service-CoS). Класс заносится в конфигурационный файл модема при его инициализации и определяет скорость передачи данных от АМ к ГС и обратно.
Общий трафик от АМ может состоять из потоков, связанными с сервисами верхних над MAC уровней. К примеру, сервисами могут быть IP соединения или речь. В версии DOCSIS 1.1 можно назначать сервисным потокам приоритеты в зависимости от типа услуги (Type of service, ToS). При появлении приоритетного потока (например, голосового) ГС может предоставить ему слот "в обход" очереди. В результате канал выделяется по принципу "лучшее из возможного" (Best Effort). Этими мерами достигаются разные уровни качества обслуживания (Quality of Service, QoS) не только общего трафика от АМ, но и его составляющих - сервисных потоков.
Стандартом также предусмотрены следующие возможности:
- предоставление канала без дополнительного запроса (Unsolicited Grant Service, UGS);
- приоритетное предоставление канала в реальном времени (Real-Time Polling Service, rtPS);
- приоритетное предоставление канала вне реального времени (Non-Real-Time Polling Service, nrtPC);
- приоритетное предоставление канала без дополнительного запроса с выявлением активности передатчика АМ (Unsolicited Grant Service with Activity Detection - UGS/AD).
В результате у ГС есть возможность управлять общим абонентским трафиком, выделять по запросу абонента требуемую полосу частот под определенный сервис, организовывать виртуальные сети между абонентами и т.п.
Телемультимедиа № 5 (33) ноябрь 2005
