СЕТИ ЭВМ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ. Министерствообразованияинаукироссийскойфедерации
 Скачать 4.29 Mb.
|
|
4 кбайт и 18 кбайт для ЛВС Token Ring с пропускной способностью 4 Мбит/с и 16 Мбит/с соответственно. 3.4.4.6. Контрольная сумма Поле контрольной суммы (КС) содержит остаток избыточной циклической суммы (CRC – Cyclic Redundancy Checksum), вычисленной с помощью полиномов типа CRC-32 для всех полей кадра, начиная с поля управления кадром (УК) и заканчивая полем данных. Остальные поля Раздел 3. Локальные вычислительные сети 226 содержат данные, изменяемые при распространении кадра по кольцу, например, бит монитора или биты резервирования в поле УД. 3.4.4.7. Статус кадра Однобайтовое поле СК – статус (состояние) кадра (Frame Status – FS) – имеет следующий вид: AC RR AC RR Здесь: R - резервный бит (4 бита); A – бит (признак) распознавания адреса; С – бит (признак) копирования пакета. Так как контрольная сумма не охватывает поле СК, то каждое однобитное поле А и С в байте задублировано для гарантии достоверности передаваемых данных. Узел-источник в процессе формирования кадра для передачи устанавливает в 0 биты А и С. Узел-приёмник, адрес которого совпал с адресом назначения, указанным в заголовке передаваемого кадра, после получения кадра устанавливает бит А в 1. Если после копирования кадра в буфер узла-приёмника не обнаружено ошибок в кадре, то бит С также устанавливается в 1. Таким образом, признаком успешной передачи кадра является возвращение кадра к источнику с битами: А=1 и С=1. А =0 означает, что станции-адресата больше нет в сети или станция вышла из строя (выключена). А =1 и С=0 означает, что произошла ошибка на пути кадра от источника к адресату (при этом также будет установлен в 1 бит обнаружения ошибки в концевом разделителе). А =1, С=1 и бит обнаруженной ошибки ОО=1 означает, что ошибка произошла на обратном пути кадра от адресата к источнику, после того как кадр был успешно принят узлом-адресатом. 3.4.5. Достоинства и недостатки ЛВС Token Ring Достоинства Token Ring: • отсутствие конфликтов в среде передачи данных; • обеспечивается гарантированное время доступа всем пользователям сети; • сеть Token Ring хорошо функционирует при большой загрузке, вплоть до загрузки в 100%, в отличие от Ethernet, в которой уже при загрузке 30% и более существенно возрастает время доступа, что крайне нежелательно для сетей реального времени; • больший допустимый размер передаваемых данных в одном кадре (до 18 кбайт), по сравнению с Ethernet, обеспечивает более эффективное функционирование сети при передаче больших объемов данных; Раздел 3. Локальные вычислительные сети 227 • реальная скорость передачи данных в сети Token Ring с пропускной способностью 4 Мбит/с может оказаться выше, чем в 10- мегабитной сети Ethernet. Недостатки Token Ring: • более высокая стоимость сети Token Ring по сравнению с Ethernet, так как: дороже адаптеры из-за более сложного протокола Token Ring; дополнительные затраты на приобретение MSAU; • меньшие размеры сети Token Ring по сравнению с Ethernet; • пропускные способности сетей Token Ring в настоящее время значительно меньше пропускных способностей, достигнутых в ЛВС Ethernet (десятки Гбит/с и выше). 3.5. ЛВС FDDI FDDI (Fiber Distributed Data Interface – оптоволоконный интерфейс распределения данных) – одна из первых высокоскоростных технологий ЛВС с пропускной способностью 100 Мбит/с, реализованная на волоконно-оптическом кабеле. 3.5.1. Общие сведения Стандарт FDDI, разработанный Американским национальным институтом стандартов (ANSI – American National Standards Institute), реализован с максимальным соответствием стандарту IEEE 802.5 – Token Ring. Небольшие отличия от этого стандарта определяются необходимостью обеспечения большей скорости передачи данных на большие расстояния. FDDI-технология предусматривает использование оптического волокна в качестве среды передачи, что обеспечивает: • высокую надежность; • гибкость реконфигурации; • высокую скорость передачи данных – 100 Мбит/с; • большие расстояния между станциями (для многомодового волокна – 2 км; для одномодового при использовании лазерных диодов – до 40 км; длина сети – до 100 км). 3.5.2. Структурная организация сети FDDI Топология сети FDDI – двойное кольцо (рис.3.36), причем применяются два разнонаправленных оптоволоконных кабеля, что позволяет использовать полнодуплексную передачу данных с удвоенной эффективной скоростью в 200 Мбит/с, при этом каждый из двух каналов работает со скоростью 100 Мбит/с. Кольца сети FDDI образованы соединениями "точка-точка" между рабочими станциями (РС). Станции, непосредственно включенные в кольцо, называются станциями с двойным подключением – DAS (Dual Attach Station). Раздел 3. Локальные вычислительные сети 228 В нормальном режиме работы для передачи данных используется основное кольцо. Второе кольцо – резервное, обеспечивает передачу данных в противоположном направлении и автоматически активизируется в случае повреждения кабельной системы (рис.3.37,а) или возникновения неисправности на одной из станций (рис.3.37,б). Можно дополнительно повысить надежность кольца FDDI, если использовать оптический обходной переключатель – OBS (Optical Bypass Switch) (рис.3.38). В этом случае при выходе станции из строя она исключается из кольца, но целостность кольца при этом сохраняется, и резервное кольцо не задействуется. OBS вносит существенные потери излучения, что ограничивает число последовательно соединенных переключателей. Соединение "точка-точка" между станциями в кольце не только упрощает стандартизацию, но также позволяет одновременно применять на разных участках кольца одномодовые и многомодовые волокна. Это означает, что отдельная DAS- станция в кольце FDDI может связываться с дальним соседом (более 2 км) по одномодовому волокну и иметь лазерные диоды в передающей системе физического уровня, а с ближним соседом (менее 2 км) – по многомодовому волокну и использовать недорогие светоизлучательные диоды. Оптический переключатель Станция с двойным подключением 3.38 РС1 Резервное кольцо Основное кольцо 100 Мбит/с 100 Мбит/с 3.36 РС2 РС4 РС3 3.37 РС1 РС2 РС4 РС3 Обрыв РС1 РС2 РС4 РС3 Выход РС из строя а) б) Раздел 3. Локальные вычислительные сети 229 Стандарт FDDI для достижения высокой гибкости сети предусматривает применение сетевых адаптеров двух типов: • адаптеры класса А, подключающиеся к внутреннему и внешнему кольцам сети, что позволяет реализовать возможность обмена со скоростью 200 Мбит/с или же возможность резервирования кабеля сети (при повреждении основного кабеля используется резервный кабель); эти адаптеры используются в самых критичных частях сети; • адаптеры класса В, подключающиеся только к внешнему кольцу сети; эти адаптеры более простые и дешевые и не имеют возможностей адаптеров класса А. Кроме собственно абонентов (компьютеров, терминалов и т.д.) в сети FDDI могут использоваться связные концентраторы, которые обеспечивают: • контроль за работой сети, диагностику неисправностей и упрощение реконфигурации за счет объединения в одном месте всех точек подключения; • преобразование электрических сигналов в оптические и наоборот при применении кабелей разных типов (оптоволоконных и электрических). Пример конфигурации сети FDDI с использованием связных концентраторов представлен на рис.3.39. В случае повреждения кабеля поврежденный участок кабеля исключается из кольца, но целостность сети при этом не нарушается вследствие перехода на одно кольцо вместо двух, т.е. адаптеры класса А начинают работать как адаптеры класса В (рис.3.40). Для кодирования передаваемых данных в FDDI применяется код 4В/5В, специально разработанный для этого стандарта. Использование символов, представляющих 4 бита (полубайт или ниббл), позволяет аппаратным средствам FDDI оперировать с полубайтами или байтами, а не с битами, тем самым способствуя увеличению скорости обмена. 3.5.3. Функциональная организация FDDI За основу стандарта FDDI был взят метод маркерного доступа, описанный в протоколе IEEE 802.5 Token Ring. Основные отличия метода Связной концентратор Станции класса В Станции класса А 3.39 Раздел 3. Локальные вычислительные сети 230 доступа FDDI от метода, специфицированного протоколом IEEE 802.5, заключаются в следующем. 1. В FDDI применяется множественная передача маркера, при котором новый маркер передается другой станции сразу же после окончания передачи кадра, не ожидая его возвращения. 2. FDDI не предусматривает возможности установки приоритетов пакетов и резервирования, которые используются в IEEE 802.5 для выделения ресурсов сети. Вместо этого каждая РС классифицируется как асинхронная , для которой время доступа к сети не критично, и синхронная , для которой время доступа к сети жестко ограничено, т.е. существуют очень жесткие требования к интервалам времени между передачами. FDDI использует сложный алгоритм для предоставления доступа к сети этим двум классам устройств. 3.5.4. Форматы кадров Форматы кадра данных (рис.3.41,а) и маркера (рис.3.41,б) сети FDDI несколько отличаются от используемых в сети Token Ring. Кадр данных FDDI так же, как и кадр IEEE 802.5, может нести информацию по управлению логическим кольцом (данные уровня MAC) или содержать пользовательские данные (данные уровня LLC). Поля в кадре FDDI имеют следующие значения. П – преамбула – служит для начальной синхронизации приема. Несмотря на то, что изначально длина этого поля равна 64 бит (16 Связной концентратор Станции класса В Станции класса А 3.40 П НР УК 1 1 1 байт КР СК 8 3.41 П НР УК 8 1 1 байт АН АИ Данные КС КР СК 2/6 2/6 1 0,5 4 <=4500 а) б) Раздел 3. Локальные вычислительные сети 231 символьных полубайтов), узлы могут динамически изменять ее в соответствии со своими требованиями к синхронизации. НР – начальный разделитель (Start Delimiter – SD) – уникальное двухсимвольное (однобайтовое) поле, указывающее на начало кадра (маркера). УК – управление кадром (Frame Control – FC) – определяет тип кадра (MAC или LLC) и контрольный код MAC: C L FF TTTT Здесь: C – бит, который определяет, будет ли кадр использоваться для синхронного или асинхронного обмена; L – индикатор длины адреса, которая может быть 16 или 48 бит (в отличие от Ethernet и Token Ring в сети FDDI допускается использование адресов разной длины); FF – формат кадра определяет, принадлежит ли кадр подуровню MAC (т.е. предназначен для целей управления кольцом) или подуровню LLC (т.е. предназначен для передачи данных); если кадр является кадром подуровня MAC, то биты TTTT определяют тип кадра, содержащего данные по управлению в поле данных. АН – адрес назначения длиной 16 или 48 бит. АИ – адрес источника длиной 16 или 48 бит. Данные – поле данных может содержать пользовательские данные или данные типа МАС, предназначенные для управления кольцом; длина поля данных является переменной, но ограничена суммарной длиной кадра, не превосходящей 4500 байт. КС – контрольная сумма типа CRC-32. КР – концевой разделитель (End Delimiter – ED) – уникальная последовательность 0 и 1, указывающая конец кадра (маркера); имеет длину: полбайта (1 символ) для кадра данных и 1 байт (2 символа) для маркера. СК – статус кадра (Frame Status – FS) – поле произвольной длины, содержащее биты: "Обнаружена ошибка", "Адрес опознан" и "Данные скопированы". 3.5.5. Технические характеристики FDDI Максимальное число станций в кольце – 500. Максимальная протяженность сети – 100 км. Среда передачи оптоволоконный кабель. Максимальное расстояние между станциями зависит от типа передающей среды (линии связи) и составляет: 2 км – для оптоволоконного многомодового кабеля. 40 км – для оптоволоконного одномодового кабеля; 100 м – для витой пары (UTP категории 5); 100 м – для экранированной витой пары (IBM тип 1). Метод доступа – маркерный. Раздел 3. Локальные вычислительные сети 232 Скорость передачи данных – 100 Мбит/с (200 Мбит/с для дуплексного режима передачи). Ограничение на общую длину сети обусловлено ограничением времени полного прохождения сигнала по кольцу для обеспечения предельно допустимого времени доступа. Максимальное расстояние между абонентами определяется затуханием сигнала в кабеле. 3.5.6. Достоинства и недостатки FDDI Достоинства : • высокая помехозащищенность; • секретность передачи информации; • прекрасная гальваническая развязка абонентов; • высокая скорость передачи данных на большие расстояния без ретрансляции, что позволяет строить протяженные сети, например городские, сохраняя при этом все преимущества локальных сетей, в частности низкий уровень ошибок; • возможность объединения большого количества пользователей; • гарантированное время доступа к сети; • отсутствие конфликтов в среде передачи при любом уровне нагрузки. Недостатки : • высокая стоимость по сравнению с другими технологиями ЛВС; • сложная в эксплуатации из-за наличия оптоволоконного кабеля. 3.6. Беспроводные ЛВС 3.6.1. Общие принципы построения беспроводных ЛВС Способы организации БЛВС (рис.3.42): 1) с базовой станцией (рис.3.42,а), когда обмен данными между рабочими (мобильными) станциями (А, В, С) осуществляется через базовую станцию; 2) без базовой станции (рис.3.42,б), когда обмен данными между станциями (А, В, С) осуществляется напрямую. Преимущества беспроводных ЛВС (БЛВС) по сравнению с проводными: • простота и дешевизна построения и реорганизации сети; А С А В С а) б) 3.42 В Раздел 3. Локальные вычислительные сети 233 • мобильность пользователей. Недостатки беспроводных ЛВС: • низкая помехоустойчивость; • неопределенность зоны покрытия; • проблема «скрытого терминала». Проблема «скрытого терминала» состоит в следующем. Положим, что станция А (рис.3.42,б), передаёт данные станции В. Станция С не «слышит» станцию А (она является «скрытым терминалом» для станции С) и, полагая, что среда передачи свободна, начинает передачу данных, предназначенных для станции В. Очевидно, что возникающая при этом коллизия приведёт к искажению передаваемых данных как от станции А, так и от станции С. В БЛВС вместо метода доступа с прослушиванием несущей и распознаванием коллизий (CSMA/CD) используются методы предотвращения коллизий (CSMA/CA). В сетях с базовой станцией обычно применяются методы опроса, когда базовая станция опрашивает все станции, находящиеся в зоне её действия, и, при наличии у нескольких станций данных для передачи, предоставляет право на передачу одной из них в соответствии с принятой в этой сети стратегией. Для повышения помехоустойчивости кода для сигналов малой мощности в беспроводных сетях разработана специальная технология расширенного спектра , ориентированная на широкую полосу пропускания, позволяющую применять модуляцию с несколькими несущими. В рамках этой технологии используются различные методы передачи данных. 3.6.2. Методы передачи данных Основными методами передачи данных в беспроводных ЛВС, основанными на технологии расширения спектра, являются (рис.3.43): • ортогональное частотное мульти- плексирование (OFDM); • расширение спектра скачкообраз- ным изменением частоты (FHSS); • прямое последовательное расширение спектра (DSSS). 3.6.2.1. Ортогональное частотное мультиплексирование Ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing) используется для передачи данных со скоростью до 54 Мбит/с в диапазоне 5 ГГц. На рис.3.44 показана схема реализации OFDM. Битовый поток данных делится на N подпотоков, каждый из которых модулируется с помощью методов частотной (FSK) или фазовой (PSK) манипуляции с использованием несущей, которая обычно кратна основной Методы передачи данных в беспроводных ЛВС OFDM FHSS DSSS 3.43 Раздел 3. Локальные вычислительные сети 234 частоте 0 f . На основе быстрого преобразования Фурье все несущие сворачиваются в общий сигнал, спектр которого примерно равен спектру сигнала, кодируемого одной несущей. После передачи такого сигнала на приёмной стороне с использованием преобразования Фурье выделяются несущие подпотоки, из которых формируется исходный битовый поток. Разделение исходного высокоскоростного потока на несколько низкоскоростных потоков позволяет уменьшить интерференцию передаваемых сигналов за счёт увеличения битового интервала. 3.6.2.2. Расширение спектра скачкообразным изменением частоты Метод расширения спектра скачкообразной перестройкой частоты (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum) основан на постоянной смене несущей в пределах широкого диапазона частот (рис.3.45). F N Data9 ... F 8 Data1 F 7 Data3 Data7 F 6 Data5 F 5 Data6 F 4 Data2 F 3 F 2 Data4 F 1 Data8 Частота несущей F 1 , …, F N случайным образом меняется через определенный период времени, называемый периодом отсечки (чип), в соответствии с выбранным алгоритмом выработки псевдослучайной последовательности. На каждой частоте применяется модуляция (FSK или PSK). Передача на одной частоте ведётся в течение фиксированного интервала времени, в течение которого передаётся некоторая порция f 0 2f 0 Nf 0 1 S S N ≅ f 0 2f 0 Nf 0 … … Битовый поток Битовый поток Под- потоки 1 2 N Быстрое преобразование Фурье Обратное преобразование Фурье 3.44 Время Ч ас то та 3.45 Раздел 3. Локальные вычислительные сети 235 данных (Data). В начале каждого периода передачи для синхронизации приемника с передатчиком используются синхробиты, которые снижают полезную скорость передачи. В зависимости от скорости изменения несущей различают 2 режима расширения спектра: • медленное расширение спектра (рис.3.46,а) – за один период отсечки передается несколько бит; • быстрое расширение спектра (рис.3.46,б) – один бит передается за несколько периодов отсечки, то есть повторяется несколько раз. В первом случае период передачи данных меньше периода передачи чипа, во втором – больше. Бит=1 Бит=0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 Чип 0 1 чип = 2 периода передачи Период передачи Метод быстрого расширения спектра обеспечивает более надёжную передачу данных при наличии помех за счёт многократного повторения значения одного и того же бита на разных частотах, но более сложен в реализации, чем метод медленного расширения спектра. 3.6.2.3. Прямое последовательное расширение спектра Метод прямого последовательного расширения спектра (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum) состоит в следующем. Каждый «единичный» бит в передаваемых данных заменяется двоичной последовательностью из N бит, которая называется расширяющей последовательностью, а «нулевой» бит кодируется инверсным значением расширяющей последовательности (рис.3.47). В этом случае тактовая скорость передачи увеличивается в N раз, следовательно, спектр сигнала также расширяется в N раз. Зная выделенный для беспроводной передачи (линии связи) частотный диапазон, можно соответствующим образом выбрать скорость передачи данных и значение N, чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон. 3.46 а) б) 1 0 3.47 1 0 1 1 0 … 0 чип 1 2 3 4 5 … N 0 1 0 0 1 … 1 1 2 3 4 5 … N Раздел 3. Локальные вычислительные сети 236 Основная цель кодирования DSSS как и FHSS – повышение помехоустойчивости. Чиповая скорость – скорость передачи результирующего кода. Коэффициент расширения – количество битов N в расширяющей последовательности. Обычно N находится в интервале от 10 до 100. Чем больше N, тем больше спектр передаваемого сигнала. Например, последовательность Баркера (Barker) с коэффициентом расширения N=11 имеет вид: 10110111000, основное достоинство которого заключается в том, что при сдвиге на один бит влево или вправо количество совпадений битов меньше половины: 1) сдвиг влево (5 совпадений) 0110111000х 10110111000 2) сдвиг вправо (5 совпадений) х1011011100 10110111000 DSSS в меньшей степени защищен от помех, чем метод быстрого расширения спектра. 3.6.2.4. Множественный доступ с кодовым разделением Методы расширения спектра широко используются в сотовых сетях, в частности, при реализации метода доступа CDMA (Code Division Multiple Access) – множественный доступ с кодовым разделением. CDMA может использоваться совместно с FHSS, но в беспроводных сетях чаще с DSSS. Каждый узел сети использует собственную расширяющую последовательность, которая выбирается так, чтобы принимающий узел мог выделить данные из суммарного сигнала. Рассмотрим принцип реализации CDMA на примере. Пусть в сети работают 4 узла: A, B, C, D, каждый из которых использует свою расширяющую последовательность: A: 0000 B: 0101 C: 0011 D: 0110 Для представления 1 и 0 используются аддитивные инверсные сигналы, показанные на рис.3.48 и обозначенные соответственно как ) ( A + и ) ( A − . Очевидно, что: 0 ) ( ) ( = − + + A A Для упрощения выкладок обозначим: 1 ) ( = + A и 1 ) ( − = − A Тогда расширяющие последовательности для узлов A, B, C и D примут вид: –А 1 +А 0 3.48 Раздел 3. Локальные вычислительные сети 237 Узел «единичный» бит «нулевой» бит A –1 –1 –1 –1 +1 +1 +1 +1 B –1 +1 –1 +1 +1 –1 +1 –1 C –1 –1 +1 +1 +1 +1 –1 –1 D –1 +1 +1 –1 +1 –1 –1 +1 Положим теперь, что передачу ведут все 4 узла: A, B, C, D и в некоторый момент времени они передают соответственно биты 1, 0, 1, 0 в виде соответствующих расширяющих последовательностей (РП): Узел бит РП A 1 –1 –1 –1 –1 B 0 +1 –1 +1 –1 C 1 –1 –1 +1 +1 D 0 +1 –1 –1 +1 Х S 0 –4 0 0 Для простоты допустим, что все узлы синхронизированы. Положим, что некоторый узел Х хочет принять данные от узла A. В рассматриваемый момент времени он принимает сигнал S в виде вектора (0 –4 0 0). Для определения значения принятого от узла A бита узел Х должен использовать демодулятор CDMA с расширяющей последовательностью узла А. Алгоритм работы демодулятора: 1) умножение принятого сигнала S на вектор расширяющей последовательности узла A: 4 0 0 4 0 ) 1 1 1 1 ( ) 0 0 4 0 ( + = + + + = − − − − × − = × A S ; 2) результат делится на количество узлов (станций) в сети; если результат положительный, то исходный бит равен 1, если результат отрицательный, то исходный бит равен 0; для узла А: +4/4=+1, следовательно, значение бита от узла A равно 1. Аналогично, при приеме данных от узла B: 1 4 / 4 0 0 4 0 ) 1 1 1 1 ( ) 0 0 4 0 ( − = − = + + − = + − + − × − = × B S , следовательно, значение бита от узла B равно 0. При приеме данных от узла C: 1 4 / 4 0 0 4 0 ) 1 1 1 1 ( ) 0 0 4 0 ( + = + = + + + = + + − − × − = × C S , следовательно, значение бита от узла C равно 1. При приеме данных от узла D: 1 4 / 4 0 0 4 0 ) 1 1 1 1 ( ) 0 0 4 0 ( − = − = + + − = − + + − × − = × D S , следовательно, значение бита от станции D равно 0. Достоинство CDMA заключается в повышенной защищенности и скрытности передачи данных: не зная расширяющей последовательности, невозможно получить сигнал, а иногда и обнаружить его присутствие. Раздел 3. Локальные вычислительные сети 238 3.6.3. Технология WiFi Технология беспроводных ЛВС (WLAN) определяется стеком протоколов IEEE 802.11, который описывает физический уровень и канальный уровень с двумя подуровнями: MAC и LLC. На физическом уровне определены несколько вариантов спецификаций, которые различаются: • используемым диапазоном частот; • методом кодирования; • скоростью передачи данных. Варианты построения беспроводных ЛВС стандарта 802.11, получившего название WiFi, представлены в табл. 3.7. Ниже дана их краткая характеристика. Таблица 3.7 Вари- ант Стандарт Диапазон частот Метод кодиро- вания Скорость передачи Год 1 IEEE 802.11 ИК 850 нм 1 Мбит/с; 2 Мбит/с 1997 2 IEEE 802.11 2,4 ГГц FHSS 1 Мбит/с; 2 Мбит/с 1997 3 IEEE 802.11 2,4 ГГц DSSS 1 Мбит/с; 2 Мбит/с 1997 4 IEEE 802.11a 5 ГГц OFDM до 54 Мбит/с 1999 5 IEEE 802.11b 2,4 ГГц DSSS до 11 Мбит/с 1999 6 IEEE 802.11g 2,4 ГГц OFDM до 54 Мбит/с 2003 IEEE 802.11 (вариант 1): • среда передачи – ИК-излучение; • передача в зоне прямой видимости; • используются 3 варианта распространения излучения: ненаправленная антенна; отражение от потолка; фокусное направленное излучение («точка-точка»). IEEE 802.11 (вариант 2): • среда передачи – микроволновый диапазон 2,4 ГГц; • метод кодирования – FHSS: до 79 частотных диапазонов шириной 1 МГц, длительность каждого из которых составляет 400 мс (рис.3.49); • при 2-х состояниях сигнала обеспечивается пропускная способность среды передачи в 1 Мбит/с, при 4-х – 2 Мбит/с. до F79 1 МГц … F1 400 мс Ч ас то тн ы е д и ап аз о н ы Время 3.49 Раздел 3. Локальные вычислительные сети 239 IEEE 802.11 (вариант 3): • среда передачи – микроволновый диапазон 2,4 ГГц; • метод кодирования – DSSS c 11-битным кодом в качестве расширяющей последовательности: 10110111000. IEEE 802.11a: 1) диапазон частот – 5 ГГц; 2) скорости передачи: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Мбит/с; 3) метод кодирования – OFDM. Недостатки: • слишком дорогое оборудование; • в некоторых странах частоты этого диапазона подлежат лицензированию. IEEE 802.11b: 1) диапазон частот – 2,4 ГГц; 2) скорость передачи: до 11 Мбит/с; 3) метод кодирования – модернизированный DSSS. IEEE 802.11g: 1) диапазон частот – 2,4 ГГц; 2) максимальная скорости передачи: до 54 Мбит/с; 3) метод кодирования – OFDM. В сентябре 2009 года был утверждён стандарт IEEE 802.11n. Его применение позволит повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с. Радиус действия беспроводных сетей IEEE 802.11 – до 100 метров. 3.6.4. Технология Wi Мах Технология беспроводного широкополосного доступа с высокой пропускной способностью WiMax представлена группой стандартов IEEE 802.16 и первоначально была предназначена для построения протяженных (до 50 км) беспроводных сетей, относящихся к классу региональных или городских сетей. Стандарт IEEE 802.16 или IEEE 802.16-2001 (декабрь 2001 года), являющийся первым стандартом «точка-многоточка», был ориентирован на работу в спектре от 10 до 66 ГГц и, как следствие, требовал нахождения передатчика и приёмника в области прямой видимости, что является существенным недостатком, особенно в условиях города. Согласно описанным спецификациям, сеть 802.16 могла обслуживать до 60 клиентов со скоростью канала T-1 (1,554 Мбит/с). Позднее появились стандарты IEEE 802.16a, IEEE 802.16-2004 и IEEE 802.16е (мобильный WiMax), в которых было снято требование прямой видимости между передатчиком и приёмником. Основные параметры перечисленных стандартов технологии WiMax сведены в табл.3.8. Раздел 3. Локальные вычислительные сети 240 Таблица 3.8 Параметр IEEE 802.16 IEEE 802.16a IEEE 802.16- 2004 IEEE 802.16e Принят , год 2001 2003 2004 2005 Диапазон частот , ГГц 10 - 66 менее 11 менее 11 2 - 6 Модуляция QPSK, 16 QAM, 64 QAM OFDM 256 OFDM 256 OFDM 256 Скорость , Мбит /с 32 - 134 1 - 75 1 - 75 до 30 Мобильность Нет Нет Нет Да Ширина канала , МГц 20, 25 и 28 От 1,25 до 20 с 16 логически- ми каналами От 1,25 до 20 с 16 логически- ми каналами Более 5 Радиус ячейки , км 1 - 5 5 – 8, максимум 50 5 – 8, максимум 50 1 - 5 Рассмотрим основные отличия технологии WiМах от WiFi. 1. Малая мобильность. Первоначально стандарт разрабатывался для стационарной беспроводной связи на большие расстояния и предусматривал мобильность пользователей в пределах здания. Лишь в 2005 году был разработан стандарт IEEE 802.16e, ориентированный на мобильных пользователей. В настоящее время ведётся разработка новых спецификаций 802.16f и 802.16h для сетей доступа с поддержкой работы мобильных (подвижных) клиентов при скорости их движения до 300 км/ч. 2. Использование более качественных радиоприемников и передатчиков обусловливает более высокие затраты на построение сети. 3. Большие расстояния для передачи данных требуют решения ряда специфических проблем: формирование сигналов разной мощности, использование нескольких схем модуляции, проблемы защиты информации. 4. Большое число пользователей в одной ячейке. 5. Более высокая пропускная способность, предоставляемая пользователю. 6. Высокое качество обслуживания мультимедийного трафика. Первоначально считалось, что IEEE 802.11 – мобильный аналог Ethernet, 802.16 – беспроводной стационарный аналог кабельного телевидения. Однако появление и развитие технологии WiMax (IEEE 802.16e) для поддержки мобильных пользователей делает это утверждение спорным. Раздел 3. Локальные вычислительные сети 241 3.6.5. Беспроводные персональные сети Персональные сети (Personal Area Networks – PAN) предназначены для взаимодействия устройств, принадлежащих одному владельцу и расположенных территориально на небольшом расстоянии (около 10 м). Особенности PAN: • простота, малые размеры и низкая стоимость объединяемых устройств и, как следствие этого, низкая стоимость реализации сети; • небольшой диаметр сети; • высокие требования к безопасности; • беспроводная реализация; • небольшая мощность излучаемых сигналов (не более 100 мВт). 3.6.5.1. Технология Bluetooth Технология Bluetooth, описанная в стандарте IEEE 802.15.1 обеспечивает взаимодействие различных устройств в разделяемой среде диапазона 2,4 МГц со скоростью передачи до 1 Мбит/с. В основе Bluetooth лежит концепция пикосети, которая характеризуется следующими особенностями: • небольшая область покрытия от 10 м до 100 м; • количество устройств в сети – до 255; • количество активных (одновременно взаимодействующих) устройств – до 8; • одно устройство главное (Г), в качестве которого обычно используется персональный компьютер), остальные подчиненные (П) (см. рис.3.50,а); • несколько пикосетей могут образовывать рассредоточенную сеть, в которой одно устройство, называемое мостом, одновременно принадлежит нескольким сетям и может быть главным устройством одной пикосети и подчинённым устройством другой пикосети (рис.3.50,б); • метод доступа – CDMA с использованием техники FHSS; • надёжность передачи данных реализуется с помощью механизма квитирования; • кадры имеют длину до 343 байт; • для передачи голоса используются кадры длиной 30 байт. 3.50 Г П П П Г/П П П П П Г Г П П а) б) Раздел 3. Локальные вычислительные сети 242 3.6.5.2. Технология ZigBee ZigBee – технология, описанная в стандарте IEEE 802.15.4 и предназначенная для построения беспроводных персональных сетей (WPAN) с использованием небольших маломощных радиопередатчиков. Спецификация ZigBee нацелена на приложения, которым требуется большее время автономной работы от батарей и большая безопасность, при небольших скоростях передачи данных. Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с многосвязной (ячеистой) топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Области применения технологии ZigBee – это построение беспроводных сенсорных сетей, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, системы промышленного мониторинга и управления, а также применение в бытовой электронике и персональных компьютерах. Технология ZigBee разработана с целью быть проще и дешевле, чем другие беспроводные персональные сети, такие как Bluetooth. Устройство ZigBee может активироваться (переходить от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, что существенно меньше по сравнению с Bluetooth, для которого задержка при переходе от спящего режима к активному достигает 3-х секунд. Так как устройства ZigBee большую часть времени находятся в спящем режиме, уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается продолжительная работа батарей. Типовые области применения технологии ZigBee: • домашняя автоматизация – температурный контроль, охрана и безопасность, датчики воды и мониторинг энергии, датчики задымления и пожара и т.д.; • мобильные службы – мобильные оплата, мониторинг и контроль, охрана и контроль доступа в помещения, охрана здоровья, телепомощь; • промышленное и коммерческое применение — контроль производственных процессов и промышленного оборудования, управление энергией, контроль доступа. Существуют три типа устройств ZigBee. • Координатор ZigBee (ZC) – наиболее ответственное устройство, формирующее пути дерева сети и связывающееся с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee, который запускает сеть и может хранить информацию о сети. • Маршрутизатор ZigBee (ZR) – может выступать в качестве промежуточного устройства, передавая данные между остальными устройствами. Раздел 3. Локальные вычислительные сети 243 • Конечное устройство ZigBee (ZED) – может обмениваться информацией с материнским узлом (координатором или маршрутизатором), но не может передавать данные от других устройств. Такое поведение позволяет узлу большую часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей. Конечное устройство имеет небольшую память, что делает его дешёвым в производстве. Устройства ZigBee должны быть совместимы со стандартом IEEE 802.15.4 беспроводных персональных сетей, который описывает нижние слои протокола (физический слой PHY и управление доступом MAC). Стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) предусматривает использование метода широкополосной модуляции с прямым расширением спектра и работу в трех диапазонах: • 1 канал в диапазоне 868,0-868,6 МГц; • 10 каналов в диапазоне 902-928 МГц (шаг центральных частот 2 МГц, самая нижняя из них – 906 МГц); • 16 каналов в диапазоне 2400-2483,5 МГц (шаг центральных частот 5 МГц, самая нижняя из них – 2405 МГц). Соответственно скорость передачи данных составляет 20 кбит/с, 40 кбит/с и 250 кбит/с для каждого канала, расстояние передачи – от 10 до 75 метров. Базовый режим доступа к каналу в сетях ZigBee – CSMA/CA – множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий. Однако возможны ситуации, исключающие применение CSMA. Например, при передаче пакетов подтверждения приема данных (если потеря пакета критична) Стандарт ZigBee призван заполнить вакуум в спектре низкоскоростных и дешевых беспроводных сетевых технологий, поскольку делает возможным построение сетей с низким потреблением энергии и гибкими функциями поддержки беспроводного взаимодействия. 3.6.6. Беспроводные сенсорные сети Беспроводная сенсорная сеть (WSN – Wireless Sensor Network) представляет собой распределённую самоорганизующуюся устойчивую к отказу отдельных элементов сеть, состоящую из множества необслуживаемых и не требующих специальной установки датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных посредством радиоканала. Область покрытия сенсорной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счет ретрансляции сообщений от одного элемента к другому. Беспроводные сенсорные сети находят всё более широкое применение в производстве, на транспорте, в системах обеспечения жизнедеятельности, в охранных системах и т.п. Использование недорогих беспроводных сенсорных устройств контроля параметров делает возможным применение сенсорных сетей для контроля: Раздел 3. Локальные вычислительные сети 244 • различных параметров (температура, давление, влажность и т. п.); • доступа в режиме реального времени к удаленным объектам мониторинга; • отказов исполнительных механизмов; • экологических параметров окружающей среды. Беспроводные сенсорные сети состоят из миниатюрных вычислительных устройств – мотов, снабженных сенсорами (датчиками температуры, давления, освещенности, уровня вибрации, местоположения и т. п.) и приемопередатчиками сигналов, работающими в заданном радиодиапазоне. Сенсорная сеть позволяет подключать до 65000 устройств. Каждый узел сенсорной сети может содержать различные датчики для контроля внешней среды, микрокомпьютер и приемопередатчик. Это позволяет устройству проводить измерения, самостоятельно проводить начальную обработку данных и поддерживать связь с внешней информационной системой. «Классическая» архитектура сенсорной сети основана на типовом узле, который может быть представлен тремя устройствами. 1. Сетевой координатор (FFD — Fully Function Device): • осуществляет глобальную координацию, организацию и установку параметров сети; • наиболее сложное устройство, требующее память большой ёмкости и источник питания. 2. Устройство с полным набором функций (FFD — Fully Function Device): • поддерживает стандарт 802.15.4 (ZigBee); • дополнительная память и энергопотребление позволяют выполнять роль координатора сети; • поддерживает все топологии («точка-точка», «звезда», «дерево», «ячеистая сеть»); • общается с другими устройствами сети. 3. Устройство с ограниченным набором функций (RFD — Reduced Function Device); • поддерживает ограниченный набор функций стандарта 802.15.4; • поддерживает топологии «точка-точка», «звезда»; • не выполняет функции координатора; • обращается к координатору сети и маршрутизатору. 3.6.7. Сравнение беспроводных технологий Технологии WiMAX и WiFi имеют много общего – термины созвучны, название стандартов, на которых основаны эти технологии, похожи (стандарты разработаны IEEE, оба начинаются с «802.»), а также обе технологии используют беспроводное соединение и могут использоваться для подключения к Интернету. Но, несмотря на это, эти технологии направлены на решение совершенно разных задач. Раздел 3. Локальные вычислительные сети 245 В табл. 3.9 для сравнения сведены рассмотренные выше беспроводные технологии передачи данных. Таблица 3.9 Техноло - гия Стандарт Область примен . Пропускная способность Радиус действия Диапазон частот WiFi 802.11a WLAN до 54 Мбит/с до 100 м 5,0 ГГц WiFi 802.11b WLAN до 11 Мбит/с до 100 м 2,4 ГГц WiFi 802.11g WLAN до 108 Мбит/с до 100 м 2,4 ГГц WiFi 802.11n WLAN до 300 Мбит/с, в перспективе до 600 Мбит/с до 100 м 2,4 - 2,5; 5,0 ГГц WiMax 802.16d WMAN до 75 Мбит/с 6-10 км 1,5-11 ГГц WiMax 802.16e Mobile WMAN до 40 Мбит/с 1-5 км 2.3-13.6 ГГц Bluetooth v.1.1 802.15.1 WPAN до 1 Мбит/с до 10 м 2,4 ГГц Bluetooth v.1.1 802.15.3 WPAN от 11 Мбит/с до 55 Мбит/с до 100 м 2,4 ГГц ZigBee 802.15.4 WPAN от 20 кбит/с до 250 кбит/с 1-100 м 2,4 ГГц (16 каналов); 915МГц (10); 868 МГц (1) Инфра - красный порт IrDa WPAN до 16 Мбит/с до 50 см; од- носторонняя связь до 10 м |