Физический уровень стандарта 8 0 2 .1 1д
Стандарт 802.1 lg для физического уровня разработан рабочей группой института IEEE летом 2003 года. Он быстро завоевал популярность, так как обеспечивал те же скорости, что и стандарт 802.1а, то есть до 54 Мбит/с, но в диапазоне 2,4 ГГц, то есть в том диапазоне, где до этого удавалось достигать максимальной скорости в 11 Мбит/с на оборудовании стандарта 802.11b. В то же время стоимость оборудования стандарта 802. lg достаточно быстро стала соизмеримой со стоимостью оборудования стандарта 802.11b, что и стало причиной роста популярности новой спецификации. В ней, так же как и в спецификации
802.11а, используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). До не
которого времени в США в диапазоне 2,4 ГГц разрешалось применять только технику расширения спектра, такую как FSSS или DSSS. Снятие этого ограничения дало импульс разработкам, в результате появилась новая высокоскоростная беспроводная технология для этого диапазона^&етот. Для обратной совместимости со стандартом 802.1 lb поддер
живается также техника ССК.
рОДегр сети стандарту
ЦЩА
1
’'зайю т&т
р#раметрой, в том
числе,
от используемого диапазона частоу. Обычно диаметр беспроводной локальной сети находится в пределах от 100 до300 м вне помещений и отЗО до 40 м внутри помещений.
388
Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой среде
В 2007 году стандарты 802.11а и 802.1 lb были сведены в новую редакцию стандарта 802.11-
2007, где каждому из них отведен соответствующий раздел.
Физический уровень стандарта 8 0 2 .1 1п
Стандарт 802.In, работы над которым были начаты еще в 2004 году, на момент написания этой книги еще не был окончательно утвержден, хотя такое событие ожидалось уже к концу
2008 года, затем было отложено до конца 2009 года, а теперь согласно последним сведениям перенесено на начало 2010.
Тем не менее оборудование «рге-N» в соответствии с версией 2 проекта стандарта 802.1 In появилось на рынке в конце 2006 года, а с начала 2007 года консорциум Wi-Fi Alliance на
чал его сертификацию.
Основной особенностью стандарта 802.1 In является дальнейшее повышение скорости передачи данных (до 300 Мбит/с и выше). Оборудование стандарта 802.1 In может работать как в диапазоне 5 ГГц, так и в диапазоне 2,4 ГГц, хотя рекомендуемым диапазоном является диапазон 5 ГГц благодаря большему числу доступных каналов и меньшей интерференции с многочисленным оборудованием, работающим сегодня в диапазоне 2,4 ГГц.
Для достижения высоких скоростей в технологии 802.1 In применено несколько новых механизмов.
□ Улучшенное кодирование OFDM и сдвоенные частотные каналы. Вместо каналов с по
лосой в 20 МГц, которые использовались в технологиях 802.11а и 802.1 lg, в технологии
802.1 In применены каналы с полосой 40 МГц (для обратной совместимости допускается также работать с каналами 20 МГц). Само по себе расширение полосы в два раза должно приводить к повышению битовой скорости в два раза, но выигрыш здесь больше за счет усовершенствований в кодировании OFDM: вместо 52 первичных несущих частот на полосу в 20 МГц здесь используется 57 таких частот, а на полосу в 40 МГц соответствен
но 114. Это приводит к повышению битовой скорости с 54 до 65 Мбит/с для каналов
20 МГц и до 135 Мбит/с для каналов 40 МГц.
□ Уменьшение межеимвольного интервала. Для надежного распознавания кодовых сим
волов в технологиях 80.1 la/g используется межеимвольный интервал в 800 не. Техно
логия 802.1 In позволяет передавать данные с таким же межеимвольным интервалом, а также с межеимвольным интервалом в 400 не, что повышает битовую скорость для каналов 40 МГц до 150 Мбит/с.
□ Применение техники MIMO (Multiple Input Multiple Output — множественные входы и выходы). Эта техника основана на использовании одним сетевым адаптером не
скольких антенн с целью лучшего распознавания сигнала, пришедшего к приемнику разными путями. Обычно из-за таких эффектов распространения радиоволн, как от
ражение, дифракция и рассеивание, приемник получает несколько сигналов, дошедших от передатчика по разным физическим путям и имеющим, следовательно, сдвиг по фазе. До введения техники MIMO такие явления считались негативными и с ними боролись путем применения нескольких (обычно двух) антенн, из которых в каждый момент времени использовалась только одна — та, которая принимала сигнал лучшего качества. Техника MIMO принципиально изменила отношение к сигналам, пришедшим разными путями, — эти сигналы комбинируются и путем цифровой обработки из них восстанавливается исходный сигнал.
Персональные сети и технология Bluetooth
389Техника MIMO не только способствует улучшению соотношения сигнал/помеха. Благо
даря возможности обрабатывать сигналы, пришедшие разными путями, для создания из
быточного сигнала для каждого потока можно передавать с помощью нескольких антенн несколько независимых потоков данных (обычно их число меньше, чем число антенн). Эта способность систем MIMO называется
пространственным мультиплексированием (spatial multiplexing). Для систем MIMO принято использовать обозначение:
T x R . S .Здесь
Т — количество передающих антенн узла,
R — количество принимающих антенн узла, а 5 — количество потоков данных, которые пространственно мультиплексируются.
Типичной системой MIMO в выпускаемом в 2009 году оборудовании стандарта 802.1 In является система 3 х 3:2, то есть система с тремя передающими и тремя принимающими антеннами, которая позволяет передавать два независимых потока данных. Система MIMO
3x3:2 обеспечивает повышение битовой скорости в два раза, то есть до 300 Мбит/с для каналов 40 МГц.
Проект стандарта 802.11 предусматривает различные варианты системы MIMO вплоть до
4x4:4, что позволило бы повысить битовую скорость до 600 Мбит/с.
Помимо усовершенствований физического уровня, стандарт 802.1 In вводит одно усо
вершенствование на уровне MAC — это возможность агрегирования нескольких кадров данных в один кадр. Такая техника повышает эффективность передачи пользовательских данных при той же битовой скорости протокола за счет сокращения накладных расходов на шифрование отдельных кадров и на их индивидуальное подтверждение положительными квитанциями со случайными паузами между передачей кадров. Кроме того, для мультиме
дийных приложений допускается уменьшение интервала DIFS при передаче длительной пульсации трафика.
Персональные сети и технология Bluetooth Особенности персональных сетеййёрооналдодоезети {Personal Ama Network, PAN) предназначены для взаимодействия устройств,на небольшом расстояний, обычно в радйусе Ю м. Тёкйми устройствами могут быть ноутбук, мобильный телефон, принтер, карманный компьютер (Personal Digital Assistant* PDA), телевизор, а также многочисленные бытовые приборы, например холодильник*Персональные сети предназначены для соединения устройств, принадлежащих, как правило, одному пользователю, на небольших расстояниях. Типичным примером PAN является беспроводнре соединение компьютера с периферийными устройствами, такими как принтер, наушники, мышь, клавиатура и т. п. Мобильные телефоны также используют технологию PAN для соединения со своей периферией (чаще всего это наушники), а также с компьютером своего владельца. Некоторые марки наручных часов стали поддерживать технологию PAN, превращаясь в универсальные устройства с функциями PDA.
390
Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой среде
Персональные сети должны обеспечивать как фиксированный доступ, например, в преде
лах дома, так и мобильный, когда владелец устройств PAN перемещается вместе с ними между помещениями или городами.
Персональные сети во многом похожи на локальные, но у них есть и свои особенности.
□ Многие из устройств, которые могут входить в персональную сеть, гораздо проще, чем традиционный узел LAN — компьютер. Кроме того, такие устройства обычно имеют не
большие габариты и стоимость. Поэтому стандарты PAN должны учитывать, что их реа
лизация должна приводить к недорогим решениям, потребляющим небольшую энергию.
□ Область покрытия PAN меньше области покрытия LAN, узлы PAN часто находятся на расстоянии нескольких метров друг от друга.
□ Высокие требования к безопасности. Персональные устройства, путешествуя вместе со своим владельцем, попадают в различное окружение. Иногда они должны взаимо
действовать с устройствами других персональных сетей, например, если их владелец встретил на улице своего знакомого и решил переписать из его устройства PDA в свое несколько адресов общих знакомых. В других случаях такое взаимодействие явно нежелательно, так как может привести к утечке конфиденциальной информации.
Поэтому протоколы PAN должны обеспечивать разнообразные методы аутентификации устройств и шифрования данных в мобильной обстановке.
□ При соединении малогабаритных устройств между собой желание избавиться от кабелей проявляется гораздо сильнее, чем при соединении компьютера с принтером или концентратором. Из-за этого персональные сети в гораздо большей степени, чем локальные, тяготеют к беспроводным решениям.
□ Если человек постоянно носит устройство PAN с собой и на себе, то оно не должно причинять вред его здоровью. Поэтому такое устройство должно излучать сигналы не
большой мощности, желательно не более 100 мВт (обычный сотовый телефон излучает сигналы мощностью от 600 мВт до 3 Вт).
Сегодня самой популярной технологией PAN является Bluetooth, которая обеспечивает взаимодействие 8 устройств в разделяемой среде диапазона 2,4 МГц со скоростью передачи данных до 723 Кбит/с.
Архитектура Bluetooth
Стандарт Bluetooth разработан группой Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group), которая была организована по инициативе компании Ericsson. Стандарт Bluetooth также адаптирован рабочей группой IEEE 802.15.1 в соответствии с общей структурой стандартов
IEEE 802.
В технологии Bluetooth используется концепция пикосети. Название подчеркивает не
большую область покрытия, от 10 до 100 м, в зависимости от мощности излучения пере
датчика устройства. В пикосеть может входить до 255 устройств, но только 8 из них могут в каждый момент времейи быть активными и обмениваться данными. Одно из устройств в пикосети является главным, остальные — подчиненными (рис. 12.21).
Активное подчиненное устройство может обмениваться данными только с главным устрой
ством, прямой обмен между подчиненными устройствами невозможен. Все подчиненные устройства данной пикосети, кроме семи активных, должны находиться в режиме пони
женного энергопотребления, в котором они только периодически прослушивают команду главного устоойства лля пеоехола в активное состояние.
Персональные сети и технология Bluetooth
391і
Одно подчиненное устройство (двухточечное соединение)Несколько подчиненных устройств (один источник с несколькими приемниками)Несколько главных устройств (рассредоточенная сеть)в
Главное устройствоПодчиненное устройствоУстройство одновременно является и главным, и подчиненнымРис. 12.21. Пикосеть и рассредоточенная сетьГлавное устройство отвечает за доступ
к разделяемой среде пикосети, которая представляет собой нелицензируемые частоты диапазона 2,4 ГГц. Разделяемая среда передает данные со скоростью до 3 Мбит/с, но из-за накладных расходов на заголовки пакетов и смену частот полезная скорость передачи данных в среде не превышает 2,1 Мбит/с. Пропускная способ
ность среды делится главным устройством между семью подчиненными устройствами на основе техники TDM.
Такая архитектура позволяет применять более простые протоколы в устройствах, выпол
няющих функции подчиненных (например, в радионаушниках), и отдает более сложные функции управления пикосетью компьютеру, который, скорее всего, и будет главным устройством этой сети.
Присоединение к пикосети происходит динамически. Главное устройство пикосети, ис
пользуя процедуру опроса, собирает информацию об устройствах, которые попадают в зону его пикосети. После обнаружения нового устройства главное устройство проводит с ним переговоры. Если желание подчиненного устройства присоединиться к пикосети совпадает с решением главного устройства (подчиненное устройство прошло проверку аутентич
ности и оказалось в списке разрешенных устройств), то новое подчиненное устройство присоединяется к сбти.
ПРИМЕЧАНИЕ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------Безопасность сетей Bluetooth обеспечивается за счет аутентификации устройств и шифрования передаваемого трэфика. Протоколы Bluetooth обеспечивают более высокий уровень защиты, чем протокол WEP стандарта IEEE 802.11. 392Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой среде
Несколько пикосетей, которые обмениваются между собой данными, образуют рассредоточен* ную сеть. Взаимодействие в пределах рассредоточенной сети осуществляется за счет того, что один узел (называемый мостом) одновременно является членом нескольких пикосетей, причем этот узел может исполнять роль главного устройства одной пикосети и подчиненного устройства другой/Сеть Bluetooth использует технику расширения спектра FHSS. Для того чтобы сигналы разных пикосетей не интерферировали, каждое главное устройство задействует
собственную последовательность псевдослучайной перестройки частоты. Наличие различающихся последовательностей псевдослучайной перестройки частоты затрудняет общение пикосе
тей между собой. Для преодоления этой проблемы устройство, играющее роль моста, долж
но при подключении к каждой из пикосетей соответствующим образом менять частоту.
Коллизии, хотя и с очень небольшой вероятностью, все же могут происходить, когда два или более устройства из разных пикосетей выберут для работы один и тот же частотный канал.
Для надежной передачи данных в технологии Bluetooth может выполняться прямая кор
рекция ошибок (FEC), а получение кадра подтверждается с помощью квитанций.
В сетях Bluetooth для передачи информации двух типов используются разные методы.
□ Для
чувствительного к задержкам трафика (например, голоса) сеть поддерживает
синхронный канал, ориентированный на соединение (Synchronous Connection-Oriented link, SCO). Этот канал работает на скорости 64 Кбит/с. Для канала SCO пропускная способность резервируется на все время соединения.
□ Для
эластичного трафика (например, компьютерных данных) используется работаю
щий с переменной скоростью
асинхронный канал, не ориентированный на соединение (Asynchronous Connection-Less link, ACL). Для канала ACL пропускная способность вы
деляется по запросу подчиненного устройства или по потребности главного устройства.
Стек протоколов BluetoothBluetooth является законченной оригинальной технологией, рассчитанной на самостоя
тельное применение в электронных персональных устройствах. Поэтому эта технология поддерживает полный стек протоколов, включая собственные прикладные протоколы.
В этом заключается ее отличие от рассмотренных ранее технологий, таких как Ethernet или
IEEE 802.11, которые лишь выполняют функции физического и канального уровней.
Создание для технологии Bluetooth собственных прикладных протоколов объясняется стремлением разработчиков реализовывать ее в разнообразных простых устройствах,
которым не под силу, да и не к чему, поддерживать стек протоколов TCP/IP. Кстати, техно
логия Bluetooth появилась в результате попыток разработать стандарт для взаимодействия мобильного телефона с беспроводными наушниками. Понятно, что для решения такой простой задачи не нужГен ни протокол передачи файлов (FTP), ни протокол передачи ги
пертекста (HTTP). В результате для технологии Bluetooth был создан оригинальный стек протоколов, в дополнение к которому появилось большое количество профилей.
Стек протоколов Bluetooth постоянно совершенствуется. Версия 1.0 стандартов стека была принята в 1999 году, версия 1.2 — в 2003, версия 2.0 — в 2004, версия 2.1 — в 2007, а версия 3.0 — в апреле 2009 года.
Персональные сети и технология Bluetooth
393
Профили
определяют конкретный**абор протоколов для решения той или иной задачи. Напри
мер, существует профиль Шя взаифцейстеия компьютера или мобильного телефона с бес*
проводными науіиниками. Имеется также профиль для тех устройств, которые могут передавать
файлы (наушникам он, скорее всего, не потребуется, хотя будущее предвидеть сложно), профиль
эмуляции последовательного порта RS232 и т. д.
Прикладной
уровень
Уровень
представления
Сеансовый
уровень
Транспортный
уровень
Сетевой
уровень
Уровни
модели OSI
Стандарты
IEEE 802
Рис. 12.22. Соответствие протоколов Bluetooth модели OSI и стандартам IEEE 802
При приведении стандартов Bluetooth в соответствие с архитектурой стандартов IEEE 802
рабочая группа 802.15.1 ограничилась только так называемыми протоколами ядра Bluetoothy
которые соответствуют функциям физического уровня и уровня МАС (рис. 12.22).
□ Уровень физических радиосигналов описывает частоты и мощности сигналов, ис
пользуемых для передачи информации.
□ Уровень базового диапазона частот отвечает за организацию каналов передачи данных в радиосреде. В его обязанности входят выбор последовательности псевдослучайной перестройки частоты, синхронизация устройств в пикосети, формирование и переда
ча кадров по установленным каналам SCO и ACL. Кадр Bluetooth имеет переменную длину, поле данных может содержать от 0 до 2744 бит (343 байт). Для передачи голоса используются кадры фиксированного размера с полем данных 240 бит (30 байт).
□ Диспетчер каналов отвечает за аутентификацию устройств и шифрование трафика, а также управляет статусом устройств, то есть может сделать подчиненное устройство главным, и наоборот.
□ Уровень протокола адаптации для управления логическим каналом (Logical Link
Control Adaptation Protocol, L2CAP) является верхним уровнем протоколов ядра
Bluetooth. Этот протокол используется только в тех случаях, когда устройство пере
дает данные; голосовой трафик обходит этот протокол и обращается непосредственно
394
Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой среде к уровню базового диапазона частот. Уровень L2CAP принимает от протоколов верх
него уровня сегменты данных размером до 64 Кбайт и делит их на небольшие кадры для уровня базового диапазона частот. При приеме уровень L2CAP собирает кадры в исходный сегмент и передает протоколу верхнего уровня,
□ Аудиоуровень обеспечивает передачу голоса по каналам SCO. На этом уровне при
меняется импульсно-кодовая модуляция (РСМ), что определяет скорость голосового канала в 64 Кбит/с.
□ Уровень управления передает внешнему блоку информацию о состоянии соединений и принимает от внешнего блока команды, изменяющие конфигурацию и состояние соединений.
Кадры Bluetooth
Разделяемая среда представляет собой последовательность частотных каналов технологии
FHSS в диапазоне 2,4 ГГц. Каждый частотный канал имеет ширину 1 МГц, количество ка
налов равно 79 (в США и большинстве других стран мира) или 23 (в Испании, Франции,
Японии).
Чиповая скорость равна 1600 Гц, поэтому период чипа составляет 625 мкс. Главное устройство разделяет общую среду на основе временного мультиплексирования (TDM), используя в качестве тайм-слота время пребывания системы на одном частотном канале, то есть 625 мкс. В версии протоколов 1.0 информация кодируется с тактовой частотой 1 МГц путем двоичной частотной манипуляции (BFSK), в результате битовая скорость составляет
1 Мбит/с. В течение одного тайм-слота пикосеть Bluetooth передает 625 бит, но не все они используются для передачи полезной информации. При смене частоты устройствам сети требуется некоторое время для синхронизации, поэтому из 625 бит только 366 передают кадр данных.
В версии 2.0 был введен режим улучшенной скорости передачи данных (Enhanced Data
Rate, EDR), в котором для кодирования данных используется комбинация методов ча
стотной (BFSK) и фазовой (PSK) модуляции; за счет этого удалось повысить битовую скорость до 3 Мбит/с, а полезную скорость передачи данных — до 2,1 Мбит/с. Режим EDR дополняет основной режим передачи данных со скоростью 1 Мбит/с.
Кадр данных может занимать 1,3 или 5 слотов. В том случае, когда кадр занимает больше одного слота, частота канала остается неизменной в течение всего времени передачи ка
дра. В этом случае накладные расходы на синхронизацию меньше, так что размер кадра, состоящего, например, из 5 последовательных слотов, равен 2870 бит (с полем данных до
2744 бит).
В Н И М А Н И Е -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Составными могут быть только кадры данных (то есть кадры канала ACL), а кадры, переносящие
голос (кадры канала SCO), всегда состоят из одного слота.
Рассмотрим формат кадра, состоящего из одного слота — 366 бит (рис. 12.23):
□ Поле данных занимает 240 бит.
□ Код доступа (72 бита) служит для идентификации пикосети. Каждое устройство
Bluetooth имеет глобально уникальный 6-байтовый адрес, поэтому для идентифик&-
Персональные сети и технология Bluetooth
395
ции пикосети требуется три младших байта уникального адреса главного устройства.
Каждое устройство при формировании кадра помещает эти байты в поле кода доступа, дополняя их битами 1/3 для прямой коррекции ошибок (сокращение 1/3 говорит о том, что 1 бит информации преобразуется в 3 бита кода). Если главное или подчиненное устройство получает кадр, содержащий неверный код доступа, то оно отбрасывает этот кадр, считая, что он, скорее всего, получен из другой пикосети.
□ Заголовок кадра (54 бита) содержит МАС-адрес, однобитный признак подтверждения приема кадра, идентификатор типа кадра, а также ряд других признаков. МАС-адрес состоит из трех битов и является временным адресом одного их семи подчиненных устройств, при этом адрес ООО является широковещательным. Информация заголовка также передается с помощью битов 1/3 алгоритма FEC.
Рис. 12.23. Формат кадра Bluetooth, состоящего из одного слота
Формат кадра, состоящего из 3-х или 5-ти слотов, отличается только размером поля дан
ных. Информация, помещаемая в поле данных, может кодироваться с помощью битов 1/3 или 2/3 алгоритма FEC либо передаваться вообще без прямой коррекции ошибок.
Поиск и стыковка устройств Bluetooth
Устройство, поддерживающее технологию Bluetooth, обычно посылает периодические запросы на предмет обнаружения других устройств Bluetooth в зоне досягаемости. Если устройство Bluetooth получает такой запрос и оно сконфигурировано таким образом, чтобы отвечать на запросы, то в ответ устройство передает сведения о себе: имя и тип устройства, имя производителя, поддерживаемые сервисы.
Имя устройства конфигурируется в отличие от его уникального МАС-адреса, который дается производителем. Нужно отметить, что часто устройства выпускаются со сконфи
гурированными по умолчанию именами, соответствующими названию модели устройства, поэтому в сфере досягаемости вашего мобильного телефона может оказаться несколько других телефонов с одинаковыми именами Bluetooth, если их владельцы не дали им соб
ственные имена.
После предварительного обмена информацией устройства Bluetooth могут начать так называемую процедуру стыковки (Pairing), если конфигурация устройств ее требует.
Стыковка подразумевает установление безопасного соединения между устройствами (см. главу 24); безопасность в данном случае означает, что устройства доверяют друг другу, а данные между ними передаются в зашифрованном виде. Стыковка устройств Bluetooth требует введения в каждое из них одного и того же пароля, называемого также PIN-кодом
396Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой среде
Bluetooth. Обычно устройство, получившее запрос на стыковку, просит пользователя вве
сти PIN-код. Устройства, успешно прошедшие процедуру стыковки, запоминают этот факт и устанавливают безопасное соединение автоматически всякий раз, когда оказываются в зоне досягаемости, при этом повторное введение PIN-кода пользователем не требуется.
Устройство сможет быть сконфигурировано пользователем или производителем таким образом, чтобы разрешать установление соединений с другими устройствами без про
цедуры стыковки.
Пример обмена данными в пикосетиРассмотрим работу пикосети на примере. Пусть пикосеть состоит из главного и трех актив
ных подчиненных устройств. Для простоты предположим, что все устройства используют кадры, занимающие один слот. На рис. 12.24 показано, каким образом главное устройство распределяет слоты между членами пикосети.
Главноеустройство3
афООсо.
SS
ф
S
а
Оосоо<
<
о
осоо
осоо<
о
осоо
осоо
осоПодчиненное о , устройство 1Подчиненное устройство 2Д-<—ц i-JLir-^i-JL-i— ---- 1---- 1гД—
|<
—
.—
.і—
Ж—
і.—i^-i---- 1
15 і16 21!Подчиненное устройство 3Рис. 12.24. Разделение средыДля дуплексного обмена главное устройство всегда выделяет каждому каналу пару слотов: первый слот использубтся для передачи
данных от главного устройства к подчиненному, а второй — в обратном направлении.
В примере, показанном на рисунке, существует один канал SCO между главным устрой
ством и первым подчиненным устройством. Как мы уже знаем, каналам SCO всегда вы
деляется фиксированная часть пропускной способности среды, величина которой зависит
Персональные сети и технология Bluetooth
397
от того, каким образом будет использоваться метод прямой коррекции ошибок (FEC) голосовой информации.
□ Е с л и метод FEC не применяется, то для канала SCO выделяется каждая третья пара слотов, как это и показано на рисунке. Такое распределение слотов обеспечивает пере
дачу потоков со скоростью 64 Кбит/с в каждом направлении. Убедимся в этом. Кодек
РСМ оцифровывает голос с частотой 8 кГц (период 125 мкс), представляя каждый замер одним байтом. Каждый кадр переносит 30 байт (240 бит), то есть 30 замеров. Кадры канала SCO в одном направлении повторяются через каждые 6 слотов, поэтому период повторения кадров равен 6 х 625 = 3750 мкс. Соответственно, скорость передачи данных в канале SCO (в одном направлении) равна 240/(3750 х 10_6) = 64 Кбит/с.
□ В том случае, когда используются биты 2/3 алгоритма FEC, то в поле данных кадра размещается не 30, а 20 замеров, поэтому для достижения скорости в 64 Кбит/с такому каналу SCO нужно выделять каждую вторую пару слотов.
□ Наконец, биты 1/3 алгоритма FEC приводят к тому, что кадр переносит только 10 за
меров голоса, так что такой канал занимает все слоты разделяемой среды.
Приведенные расчеты показывают, что в пикосети могут одновременно существовать не более трех каналов SCO (возможно, соединяющих с разными подчиненными устройства
ми), причем только тогда, когда канал не использует алгоритм FEC для снижения доли битовых ошибок. Прямая коррекция ошибок уменьшает число каналов SCO до двух или даже одного.
Оставшаяся от каналов SCO пропускная способность служит для передачи асинхронных данных. Для этого в пикосети имеется канал ACL. Этот канал соединяет один источник
(главное устройство) с несколькими приемниками (все подчиненные устройства пикосе
ти). Его не нужно устанавливать, он существует всегда.
Потребности подчиненных устройств в передаче асинхронных данных главное устройство узнает путем их периодического опроса. Для этого оно использует служебный кадр с МАС- адресом устройства. Если у главного устройства есть данные для этого подчиненного устройства, то оно может совместить передачу данных с опросом в одном кадре.
На рис. 12.24 показано, что главное устройство использовало слоты 3 и 4 для обмена ка
драми со вторым подчиненным устройством, слоты 9 и 10 — для обмена с первым подчи
ненным устройством и слоты 11 и 12 — для обмена с третьим подчиненным устройством.
Метод опроса исключает коллизии при доступе к каналу ACL, но скорость доступа к это
му каналу для каждого отдельного устройства не определена, она зависит от количества устройств, которые хотят передавать асинхронные данные.
Таким образом, в сети Bluetooth совмещаются приемы коммутации каналов (для каналов
SCO) и коммутации пакетов (для канала ACL).
В том случае, когда каналы SCO в сети не используются, вся пропускная способность среды отводится каналу ACL. При наличии кадров, состоящих из 5-ти слотов, максималь
ная скорость передачи данных при битовой скорости 1 Мбит/с составляет 432,6 Кбит/с в каждом направлении (0ез прямой коррекции ошибок). Допустимо также несимметричное деление пропускной способности канала ACL, тогда максимальная скорость достигает
723,2 Кбит/с в одном направлении при скорости 57,6 Кбит/с в обратном. Не нужно забы
вать, что это — суммарные скорости передачи данных в канале ACL, а не скорости потоков данных отдельных устройств. Когда несколько устройств используют канал, скорость делится между всеми устройствами.
398
Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой среде
Новые свойства Bluetooth
В последних версиях стандартов Bluetooth были анонсированы некоторые нововведения, одно из которых — повышение скорости передачи данных в режиме EDR до 3 Мбит/с - мы уже упомянули. Далее перечислены другие наиболее важные новые свойства этой технологии.
□ Пониженная скорость обмена в ждущем режиме. Это свойство заключается в снижении частоты обмена служебными сообщениями keepalive («работоспособен»), которыми узлы поддерживают соединение в открытом состоянии при отсутствии пользователь
ских данных для передачи, с нескольких сообщений в секунду до одного сообщения раз в 5 или 10 секунд. Такой режим позволяет увеличить время работы батарей портатив
ных устройств в 3-10 раз. Свойство введено в версии 2.1.
□ Безопасная простая стыковка (secure simple pairing) позволяет ускорить процедуру стыковки и в то же время предлагает более высокую степень защиты соединений.
Свойство введено в версии 2.1.
□ Использование технологии NFC (Near Field Communication — связь ближнего радиуса действия) для автоматической стыковки устройств. NFC — это новая технология, раз
работанная для беспроводного взаимодействия устройств на расстояниях в 10-20 см.
При обнаружении сигналов устройства с интерфейсами NFC автоматически устанав
ливают соединение. Устройства Bluetooth могут использовать технологию NFC для автоматического обнаружения при приближении их друг к другу в ходе стыковки и обмена информацией. Это свойство является частью упомянутой ранее процедуры безопасной простой стыковки, оно также введено в версии 2.1 Bluetooth.
□ Альтернативные МАС-уровень и физический уровень. При необходимости передачи большого объема данных устройство Bluetooth может переключиться на соединение, использующее отличную от Bluetooth технологию передачи данных. В версии 3.0 про
токолов Bluetooth как возможная альтернатива определены пока только технологии
802.11, но в будущем могут быть стандартизованы и другие технологии. Первоначаль
ное взаимодействие устройств всегда должно производиться на основе технологии
Bluetooth.
□ Bluetooth с низким энергопотреблением (Bluetooth low energy). В апреле 2009 года группа
Bluetooth SIG объявила о совершенно новом дополнительном стеке протоколов под на
званием Bluetooth low energy Этот стек разрабатывался группой Bluetooth совместно с компанией Nokia и был первоначально известен под названием Wibree. Протоколы
Bluetooth low energy предназначены для устройств, батареи которых должны иметь примерно годичный срок действия; это могут быть, например, наручные часы или медицинские приборы.
Выводы
Локальные сети на разделяемой среде представляют собой наиболее простой и дешевый в реали
зации тип локальных сетей. Основной недостаток разделяемых локальных сетей состоит в плохой
масштабируемости, так как при увеличении числа узлов сети снижается доля пропускной способ
ности, приходящаяся на каждый узел.
Уровень MAC отвечает за доступ к разделяемой среде и отправку через нее кадров.
Вопросы и задания
399Протокол LLC обеспечивает для протоколов верхних уровней нужное качество транспортных услуг, передавая кадры либо дейтаграммным способом, либо с помощью процедур с установлением соединения и восстановлением кадров.В технологии Ethernet на разделяемой среде применяется случайный метод доступа CSMA/CD, который очень прост в реализации.Коллизия — это ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных через общую среду. Наличие коллизий — это неотъемлемое свойство сетей Ethernet, являющееся следствием принятого случайного метода доступа.В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 определяет различные спецификации Ethernet со скоростью 10 Мбит/с: 10Base-5,10Base-2,10Base-T, FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB.В сетях Token Ring используется детерминированный метод доступа с передачей токена. Логической топологией сетей Token Ring является кольцо, физической — звезда. За счет кольцевой топологии технология Token Ring отчасти обеспечивает отказоустойчивость.В технологии FDDI в качестве физической среды впервые был использован волоконно-оптический кабель и достигнута скорость 100 Мбит/с. Высокая степень отказоустойчивости обеспечивается за счет применения двойного оптоволоконного кольца.Стандарты IEEE 802.11 являются основными стандартами беспроводных локальных сетей. Существует несколько вариантов спецификаций физического уровня 802.11, отличающихся диапазоном используемых частот (2,4 и 5 ГГц), а также методом кодирования (FHSS, DSSS, OFDM).Метод доступа 802.11 является комбинацией случайного метода доступа с предотвращением коллизий (DCF) и централизованного детерминированного метода доступа с опросом (PCF). Гибкое применение режимов DCF и PCF позволяет обеспечить поддержку показателей QoS для синхронного и асинхронного трафиков.Персональные сети (PAN) предназначены для взаимодействия принадлежащих одному владельцу устройств на небольшом расстоянии, обычно в радиусе от 10 до 100 м. Персональные сети должны обеспечивать как фиксированный доступ, например, в пределах дома, так и мобильный, когда владелец устройств перемещается вместе с ними между помещениями или городами.Сегодня самой популярной технологией PAN является Bluetooth, в которой используется концепция пикосети, объединяющей до 255 устройств, но только 8 из них могут в каждый момент времени быть активными.Для чувствительного к задержкам трафика сеть Bluetooth поддерживает синхронные каналы, ориентированные на соединение (SCO), а для эластичного — асинхронные каналы, не ориентированные на соединение (ACL).Вопросы и задания1. Выберите утверждения, корректно описывающие особенности метода доступа техно
логии Ethernet:
а) узел обязан «прослушивать» разделяемую среду;
б) узел может передать свой кадр в разделяемую среду в любой момент времени неза
висимо от того, занята среда или нет;
в) узел ожидает подтверждения приема переданного кадра от узла назначения в течение некоторого времени, а в случае истечения этого времени повторяет передачу;
г) если в течение времени передачи кадра коллизия не произошла, то кадр считается переданным успешно.
2. Почему протоколы канального уровня технологий глобальных сетей не делятся на под
уровни MAC и LLC?
400Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой среде
3. Какие функции выполняет уровень LLC?
О а) управляет доступом к логическому интерфейсу;
О б) поддерживает интерфейс с вышележащим уровнем;
О в) обеспечивает передачу кадра с заданным уровнем надежности;
О г) разрешает коллизии.
4. При увеличении длины разделяемого сегмента Ethernet и расстояний между подклю
ченными к нему узлами, но при сохранении числа подключенных к сегменту узлов, что будет с вероятностью коллизий? Варианты ответов:
а) понизится; б) повысится; в) не изменится.
5. В чем состоят функции преамбулы и начального ограничителя кадра в стандарте
Ethernet?
6. Чем объясняется, что минимальный размер поля данных кадра Ethernet выбран рав
ным 46 байт? Варианты ответов:
а) для предотвращения монопольного захвата среды узлом;
б) для устойчивого распознавания коллизий;
в) для сокращения накладных расходов.
7. Почему сети IOBase-Т и 10Base-F вытеснили в свое время сети Ethernet на коакси
альном кабеле?
8. Какова была скорость передачи пользовательских данных в сети Ethernet 10Base-T при передаче файла между сервером и клиентом, если средняя длина кадров при этом равнялась 920 байт с учетом полей заголовков, но без
учета преамбулы, а кадры передавались сервером с минимально возможным межкадровым интервалом и без коллизий?
9. К какому типу относится МАС-адрес 01:80:С2:00:00:08? Варианты ответов: а) групповой; б) индивидуальный; в) локальный; г) централизованный.
10. Как скорость передачи данных технологии Ethernet на разделяемой среде влияет на максимальный диаметр сети? Варианты ответов:
а) чем выше скорость передачи, тем меньше максимальный диаметр сети;
б) чем выше скорость передачи, тем больше максимальный диаметр сети;
в) не влияет.
11. Какое максимальное время должно пройти до того момента, когда кадр будет отброшен адаптером Ethernet из-за постоянных коллизий при передаче?
12. Что произойдет, если соединить кабелем два порта концентратора Ethernet?
13. Какой механизм предотвращает монопольное использование кольца Token Ring каким- либо ее узлом? Варианты ответов:
а) система приоритетов кадров;
б) таймер времени удержания токена;
в) кольцевая топология сети.
14. Какой элемент обеспечивает отказоустойчивость сети Token Ring? Варианты ответов:
а) сетевой адаптер; б) вторичное кольцо; в) повторитель.
Вопросы и задания
401
15. Какой элемент делает отказоустойчивость сети FDDI выше, чем сети Token Ring?
Варианты ответов:
а) сетевой адаптер; б) вторичное кольцо; в) повторитель.
16. К чему приводит наличие скрытого терминала в сети IEEE 802.11? Варианты отве
тов:
а) к нарушению связности сети;
б) к повышению уровня помех в радиосреде;
в) к более частому возникновению коллизий.
17. Каким образом обнаруживает коллизии уровень MAC в сетях 802.11?
18. Может ли станция сети 802.11 передать кадр другой входящей в ту же сеть BSS станции не непосредственно, а через точку доступа?
19. Из каких соображений выбирается длительность слота в режиме DCF? Варианты ответов:
а) длительность слота должна превосходить время распространения сигнала между любыми станциями сети;
б) длительность слота не должна превосходить время передачи кадра максимальной длины;
в) длительность слота должна превосходить время распространения сигнала между любыми станциями сети плюс время, затрачиваемое станцией на распознавание занятости среды.
20. За счет чего режим PCF всегда имеет приоритет перед режимом DCF?
21. Каким образом пикосети Bluetooth объединяются в рассредоточенную сеть? Варианты ответов:
а) с помощью маршрутизатора;
б) с помощью коммутатора;
в) с помощью узла, являющегося членом нескольких пикосетей.
Скачать 22.28 Mb.