Учебник для вузов в. Олифер Н. Олифер Компьютерные Принципы, технологии, протоколы
 Скачать 22.28 Mb.
|
|
374 Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой сред оптических систем скорость передачи данных удалось повысить до 100 Мбит/с (позж появилось оборудование FDDI на витой паре, работающее на той же скорости). В тех случаях, когда нужно было обеспечить высокую надежность сети FDDI, применялос двойное кольцо (рис. 12.12). В нормальном режиме станции используют для передачі данных и токена доступа первичное кольцо, а вторичное простаивает1. В случае отказа например, при обрыве кабеля между станциями 1 и 2, как показано на рис. 12.12, первич ное кольцо объединяется со вторичным, вновь образуя единое кольцо. Этот режим работь сети называется режимом свертывания колец. Операция свертывания производится средствами повторителей (не показанных на рисунке) и/или сетевых адаптеров FDD! Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются в одно» направлении (на диаграммах это направление изображается против часовой стрелки), а п< вторичному — в обратном (изображается по часовой стрелке). Поэтому при образованш общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключении ми к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и приниматі информацию соседними станциями. 2 2 В стандартах FDDI много внимания отводится различным процедурам, которые позволяют определить факт наличия отказа в сети, а затем произвести необходимое реконфигуриро вание. Технология FDDI расширяет механизмы обнаружения отказов технологии Token Ring за счет резервных связей, которые предоставляет второе кольцо. Более подробную информация о технологиях Token Ring и FDDI можно найти на сайте www. olifer.co.uk в документах «Технология Token Ring» и «Технология FDDI». 1 Существовали фирменные реализации оборудования FDDI, в которых в нормальном режиме ис пользовалось и вторичное кольцо. Тем самым удавалось добиваться удвоения скорости передачи данных. Беспроводные локальные сети IEEE 802.11 375 Беспроводные локальные сети IEEE 802.11 Проблемы и области применения беспроводных локальных сетей Беспроводные локальные сети (Wireless Local Area Network, WLAN) в некоторых случаях являются предпочтительным по сравнению с проводной сетью решением, а иногда просто единственно возможным. В WLAN сигнал распространяется с помощью электромагнитных волн высокой частоты. Преимущество беспроводных локальных сетей очевидно — их проще и дешевле развора чивать и модифицировать, так как вся громоздкая кабельная инфраструктура оказывается излишней. Еще одно преимущество — обеспечение мобильности пользователей. Однако за эти преимущества беспроводные сети расплачиваются длинным перечнем проблем, которые несет с собой неустойчивая и непредсказуемая беспроводная среда. Мы уже рас сматривали особенности распространения сигналов в такой среде в главе 10. Помехи от разнообразных бытовых приборов и других телекоммуникационных систем, атмосферные помехи и отражения сигнала создают серьезные трудности для надежного приема информации. Локальные сети — это, прежде всего, сети зданий, а распростра нение радиосигнала внутри здания еще сложнее, чем вне его. В стандарте IEEE 802.11 приводится изображение распределения интенсивности сигнала (рис. 12.13). В стандарте подчеркивается, что это статическое изображение, в действительности картина является динамической, и при перемещении объектов в комнате распределение сигнала может существенно измениться. Рис. 12.13. Распределение интенсивности радиосигнала Методы расширения спектра помогают снизить влияние помех на полезный сигнал, кро ме того, в беспроводных сетях широко используются прямая коррекция ошибок (FEC) и протоколы с повторной передачей потерянных кадров. Тем не менее практика показала, что в тех случаях, когда ничего не мешает применению проводной локальной сети, органи- 376 Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой среде зации предпочитают именно этот вид LAN, несмотря на то что при этом нельзя обойтись без кабельной системы. Неравномерное распределение интенсивности сигнала приводит не только к битовым ошибкам передаваемой информации, но и к неопределенности зоны покрытия беспро водной локальной сети. В проводных локальных сетях такой проблемы нет, те и только те устройства, которые подключены к кабельной системе здания или кампуса, получают сигналы и участвуют в работе LAN. Беспроводная локальная сеть не имеет точной области покрытия. Часто используемое изображение такой области в форме шестиугольника или круга является не чем иным, как абстракцией. В действительности, сигнал может быть настолько ослаблен, что устройства, находящиеся в предполагаемых пределах зоны по крытия, вообще не могут принимать и передавать информацию. Рисунок 12.13 хорошо иллюстрирует такую ситуацию. Подчеркнем, что с течением времени ситуация с распределением сигнала может измениться вместе с изменением состава LAN. По этой причине даже технологии, рассчитанные на фиксированные (не мобильные) узлы сети, должны учитывать то, что беспроводная локальная сеть является неполносвязной. Даже если считать, что сигнал распространяется идеально во все стороны, образованию полносвязной топологии может мешать то, что радиосигнал затухает пропорционально квадрату расстояния от источника. Поэтому при отсутствии базовой станции некоторые пары узлов не смогут взаимодействовать из-за того, что расположены за пределами зоны покрытия передатчиков партнера. В примере на рис. 12.14, а показана такая фрагментированная локальная сеть. Не- полносвязность беспроводной сети порождает проблему доступа к разделяемой среде, известную под названием скрытого терминала. Проблема возникает в том случае, когда два узла находятся вне зон досягаемости друг друга (узлы Л и С на рис. 12.14, а), но существует третий узел В, который принимает сигналы как от А, так и от С. Предпо ложим, что в радиосети используется традиционный метод доступа, основанный на прослушивании несущей, например CSMA/CD. В данном случае коллизии будут возни кать значительно чаще, чем в проводных сетях. Пусть, например, узел В занят обменом с узлом А. Узлу С сложно определить, что среда занята, он может посчитать ее свободной и начать передавать свой кадр. В результате сигналы в районе узла В исказятся, то есть произойдет коллизия, вероятность возникновения которой в проводной сети была бы неизмеримо ниже. Распознавание коллизий затруднено в радиосети еще и потому, что сигнал собственного передатчика существенно подавляет сигнал удаленного передатчика, и распознать иска жение сигнала чаще всего невозможно. В методах доступа, применяемых в бания несущей, но и от распознавания ко/тизий, Вместо этого в них используют методы предотвращения коллизий, включая методы опроса. Применение базовой станции может улучшить связность сети (рис. 12.14, 6). Базовая стан ция обычно обладает большей мощностью, а ее антенна устанавливается так, чтобы более равномерно и беспрепятственно покрывать нужную территорию. В результате все узлы беспроводной локальной сети получают возможность обмениваться данными с базовой станцией, которая транзитом передает данные между узлами. Беспроводные локальные сети IEEE 802.11 377 а б Рис. 12.14. Связность беспроводной локальной сети: а — специализированная беспроводная сеть, б — беспроводная сеть с базовой станцией Беспроводные локальные сети считаются перспективными для таких применений, в кото рых сложно или невозможно использовать проводные сети. Далее перечислены основные области применения беспроводных локальных сетей. □ Домашние локальные сети. Когда в доме появляется несколько компьютеров, орга низация домашней локальной сети становится насущной проблемой. Пользователи быстро поняли преимущества беспроводных домашних сетей, не требующих прокладки в квартире или доме кабеля на витой паре и позволяющих легко переносить ноутбук из комнаты в комнату. Производители также быстро отреагировали на этот спрос, при ступив к выпуску для таких сетей компактных многофункциональных центральных устройств, совмещающих функции модема, маршрутизатора и точки беспроводного доступа. Практически все современные ноутбуки имеют сегодня встроенные беспро водные сетевые адаптеры, ими также оснащены многие принтеры. □ Резидентный доступ альтернативных операторов связи, у которых нет проводного доступа к клиентам, проживающим в многоквартирных домах. □ Так называемый «кочевой» доступ в аэропортах, железнодорожных вокзалах и т. п. □ Организация локальных сетей в зданиях, где нет возможности установить современную кабельную систему, например в исторических зданиях с оригинальным интерьером. □ Организация временных локальных сетей, например, при проведении конференций. □ Расширения локальных сетей. Иногда одно здание предприятия, например испытатель ная лаборатория или цех, может быть расположено отдельно от других. Небольшое чис ло рабочих мест в тайом здании делает крайне невыгодным прокладку к нему отдель ного кабеля, поэтому беспроводная связь оказывается более рациональным вариантом. □ Мобильные локальные сети. Если пользователь хочет получать услуги сети, переме щаясь из помещения в помещение или из здания в здание, то здесь конкурентов у бес проводной локальной сети просто нет. Классическим примером такого пользователя 378 Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой среде является врач, совершающий обход и пользующийся своим ноутбуком для связи с базой данных больницы. Пока что мобильные локальные сети не претендуют на полное покрытие крупных тер риторий, :как это сделали мобнльные сотовые телефонные сети, но перспективы такого развития имеются. В этой области технологиям беспроводных локальных сетей предстоит выдержать конкуренцию с мобильными сотовыми телефонными сетями 3G (от английско го 3rd Generation — сети третьего поколения). Предыдущее поколение мобильных сотовых телефонных сетей не является для беспроводных локальных сетей серьезным конкурентом, так как эти сети разрабатывались в первую очередь для передачи голоса, а для передачи данных в них применяется вспомогательный протокол GPRS со скоростями в диапазоне несколько килобит в секунду, что сегодня не может удовлетворить пользователей Интерне та. Однако в сетях 3G скорость передачи данных уже находится в диапазоне от 144 Кбит/с до 2 Мбит/с, что уже гораздо лучше для доступа в Интернет как для компьютеров, так и для мобильных телефонов, поддерживающих такие приложения для Интернета, как веб-доступ и электронная почта. В этом случае конкуренция может оказаться жесткой. Пока что бес проводные локальные сети выигрывают у сетей 3G соревнование в скорости (54 против 2 Мбит/с), но уступают в мобильности, так как их область покрытия обычно ограничена зданием или небольшой территорией аэропорта или вокзала. Далее будет рассмотрен самый популярный стандарт беспроводных локальных сетей - IEEE 802.11. Сети и оборудование IEEE.802.11 также известны под названием Wi-Fi — по имени консорциума Wi-Fi1 Alliance (http://wi-fi.org), который занимается вопросам совме стимости и сертификации оборудования стандартов IEEE 802.11. Топологии локальных сетей стандарта 802.11 Стандарт 802.11 поддерживает два типа топологий локальных сетей: с базовым и с рас ширенным наборами услуг. Сеть с базовым набором услуг (Basic Service Set, BSS) образуется отдельными станциями, базовая станция отсутствует, узлы взаимодействуют друг с другом непосредственно (рис. 12.15). Для того чтобы войти в сеть BSS, станция должна выполнить процедуру присоединения. Сети BSS не являются традиционными сотами в отношении зон покрытия, они могут находиться друг от друга на значительном расстоянии, а могут частично или полностью перекрываться — стандарт 802.11 оставляет здесь свободу для проектировщика сети. Станции могут использовать разделяемую среду для того, чтобы передавать данные: □ непосредственно друг другу в пределах одной сети BSS; □ в пределах одной сети BSS транзитом через точку доступа; □ между разными сетями BSS через две точки доступа и распределенную систему; □ между сетью BSS^-проводной локальной сетью через точку доступа, распределенную систему и портал2. 1 Wi-Fi является сокращением от Wireless Fidelity — «беспроводная точность»; термин был введен по аналогии с популярным термином Hi-Fi, обозначающим высокую точность воспроизведения звука аппаратурой. 2 Функции портала стандартом не детализируются, это может быть коммутатор или маршрутиза- Т Л П Беспроводные локальные сети IEEE 802.11 379 В сетях, обладающих инфраструктурой, некоторые станции сети являются базовыми, или, в терминологии 802.11, точками доступа (Access Point, АР). Станция, которая выполняет функции АР, является членом какой-нибудь сети BSS (рис. 12.16). Все базовые станции сети связаны между собой с помощью распределенной системы (Distribution System, DS), в качестве которой может использоваться та же среда (то есть радио- или инфракрасные волны), что и среда взаимодействия между станциями, или же отличная от нее, например проводная. Точки доступа вместе с распределенной системой поддерживают службу рас пределенной системы (Distribution System Service, DSS). Задачей DSS является передача пакетов между станциями, которые по каким-то причинам не могут или не хотят взаимо действовать между собой непосредственно. Наиболее очевидной причиной использования D$S является принадлежность станций разным сетям BSS. В этом случае они передают кадр своей точке доступа, которая через DS передает его точке доступа, обслуживающей сеть BSS со станцией назначения. $Сбть с расширенным набором услуг (Extended Service Set, ESS) состоит из нискольких сетей ;BSS( объединенных распределенной средой. 380 Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой среде Сеть ESS обеспечивает станциям мобильность — они могут переходить из одной сети BSS в другую. Эти перемещения обеспечиваются функциями уровня MAC рабочих и базовых станций, поэтому они совершенно прозрачны для уровня LLC. Сеть ESS может также взаимодействовать с проводной локальной сетью. Для этого в распределенной системе должен присутствовать портал. 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 уровня MAC, поверх которых работает уровень LLC. 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. Структура стека протоколов IEEE 802.11 показана на рис. 12.17. LLC L _ PCF MAC (CSMA/CA) PCF DCF Phy 802 11 802.11a 802 11b 802.11g 802 11n Рис. 12.17. Стек протоколов IEEE 802.11 Уровень MAC выполняет в беспроводных сетях больше функций, чем в проводных. Функ ции уровня MAC в стандарте 802.11 включают: □ доступ к разделяемой среде; □ обеспечение мобильности станций при наличии нескольких базовых станций; □ обеспечение безопасности, эквивалентной безопасности проводных локальных сетей. В сетях 802.11 уровень MAC поддерживает два режима доступа к разделяемой среде: распределенный режим DCF (Distributed Coordination Function) и централизованный режим PCF (Point Coordination Function). Режим PCF применяется в тех случаях, когда необходимо приоритезировать чувствительный к задержкам трафик. На физическом уровне существует несколько вариантов спецификаций, которые отли чаются 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. Распределенный режим доступа DCF Рассмотрим сначала, как обеспечивается доступ в распределенном режиме DCF. В этом режиме реализуется метод CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance — метод прослушивания несущей частоты с множественным доступом и предот вращением коллизий). Вместо неэффективного в беспроводных сетях прямого распозна вания коллизий но методу CSMA/CD здесь они выявляются косвенно. Для этого каждый Беспроводные локальные сети IEEE 802.11 381 переданный кадр должен подтверждаться к а д р о м п о л о ж и т е л ь н о й к в и т а н ц и и , посылаемым станцией назначения. Если же по истечении оговоренного тайм-аута квитанция не посту пает, станция-отправитель считает, что произошла коллизия. Режим доступа DCF требует синхронизации станций. В спецификации 802.11 эта про блема решается достаточно элегантно — временные интервалы начинают отсчитываться от момента окончания передачи очередного кадра (рис. 12.18). 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. Среда Таймер отсрочки: Кадр < ----------------------- ► 1 Кадр і Станция А к і L і О Слот Проверка: Проверка: Проверка: занято свободно свободно Начало Запуск интервала IFS таймера отсрочки Рис. 12.18. Режим доступа DCF Станция, которая хочет передать кадр, обязана предварительно прослушать среду. Как только она фиксирует окончание передачи кадра, она обязана отсчитать интервал времени, равный межкадровому интервалу (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 от срочки, 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). О том, как выбирается размер слота и величина конкурентного окна, будет сказано немного позже, а сейчас рассмотрим этот довольно непростой метод доступа на примере, который иллюстрирует рис. 12.18. Пусть станция А выбрала для передачи на основании усеченно го экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки слот 3. При этом она присваивает таймеру отсрочки (назначение которого будет ясно из дальнейшего описания) значение 3 и начинает проверятыбостояние среды в начале каждого слота. Если среда свободна, то из значения таймера отсрочки вычитается 1, и если результат равен нулю, то начинается передача кадра. |