Работа адаптеров wlan на канальном уровне

На канальном уровне передаваемые станцией данные организуются в виде протокольных элементов – кадров МАС-уровня (MPDU). Имеется три класса кадров IEEE 802.11 (см. дополнительную литературу к лекции 7):

● Кадры данных (8 типов);

● Управляющие кадры (6 типов);

● Служебные кадры (11 типов).

Базовой структурой всех кадров является основной формат кадра передачи данных,

показанный на рис.1. Кадры данных применяются для переноса пользовательских данных от одной станции к другой. Несколько похожи на кадры Ethernet, но более сложные. Эта сложность обусловлена тем, что, во-первых, при передаче в системах BSS кадры следуют через транзитные узлы (Точку доступа) и, следовательно, кроме МАС-адресов конечных получателя и отправителя, должны содержать МАС-адреса транзитных узлов. В результате кадр может иметь до четырех адресных полей. Во-вторых, из-за сложности процедур доступа к беспроводной среде в кадре есть дополнительные управляющие поля.

Управляющие и служебные кадры применяются для выполнения разнообразных

функций, необходимых для нормальной работы сети (запрос ассоциации, аутентификация клиентов, подтверждение кадров и др.). Формат этих кадров короче за счет исключения ненужных полей основного кадра.

2 2 6 6 6 2 6 До 2312 байт 4

╔══╤═══╤══════╤══════╤══════╤══╤══════╤════════════════╤═══╗

◄═ ║FC│ D │ A1 │ A2 │ A3 │SC│ A4 │ Данные кадра │FCS║

╚══╧═══╧══════╧══════╧══════╧══╧══════╧════════════════╧═══╝

│<─────── Основной кадр MAC-уровня (до 2346 байт) ────────>│

Рис. 1

FC Frame Control – управляющее поле кадра. Обязательно для кадров всех классов.

Содержит подполе типа кадра, указатель направления передачи

(к распределительной системе или от нее), указатель шифрования WEP и другие подполя.

D Duration – планируемая продолжительность передачи кадра (в мкс). Обязательно для кадров всех классов.

A1 Здесь находится МАС-адрес получателя или адрес BSSID, если кадр направляется от станции через Точку доступа (ТД) в распределительную систему. BSSID – это неизменный МАС-адрес встроенного адаптера WLAN. В сети Ad-Hoc генерируется случайным образом первой станцией сети.

A2 МАС-адрес отправителя или МАС-адрес BSSID, если кадр направляется от распределительной системы через ТД к станции.

A3 МАС-адрес BSSID или МАС-адрес отправителя, если кадр направляется от распределительной системы через ТД к станции, или МАС-адрес получателя, если кадр направляется от станции через ТД в распределительную систему.

A4 Поле используется только в беспроводной распределительной системе. Содержит МАС-адрес отправителя.

SC Sequence Control – контроль последовательности кадров. Содержит порядковый

номер кадра и номер фрагмента (если есть фрагментация). При фрагментации длинный кадр делится на короткие части с целью более надежной передачи в сильно зашумленной среде.

FCS Frame Check Sequence – контрольная последовательность кадра. Вычисляется для всего кадра с применением циклического полинома степени 32.

Для передачи кадров по сети WLAN используется некоторый выбранный радиоканал. Он представляет собой общую широковещательную, разделяемую во времени среду, вроде коаксиального кабеля сети Ethernet. Это означает, что в любой момент по каналу передавать кадры может только одна станция. Если передачу будут вести одновременно несколько станций, что иногда случается в WLAN, то возникнет коллизия, аналогичная таковой в сетях Ethernet. Особенность коллизии WLAN в том, что момент ее появления

заинтересованным станциям очень сложно обнаружить. Поэтому для WLAN принят следующий способ передачи кадров:

- передача всех кадров идет в полудуплексном режиме;

- принятые корректно и без ошибок кадры данных и служебные кадры получатель всегда подтверждает посылкой кадра АСК. Подтверждение происходит на каждом участке сети WLAN, а не между конечными станциями.

Если за установленное время кадр АСК не будет получен, то или произошла коллизия и посланный кадр не опознан, или в принятом кадре есть ошибки. В таком случае кадр посылается повторно. Способ передачи надежный, простой, но не такой быстрый.

Рассмотрим организацию совместного равноправного доступа клиентов к радиоканалу в сети IEEE 802.11. Основным методом доступа здесь является CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) – множественный доступ с проверкой несущей и предотвращением коллизий.

По этому методу, каждая станция может начать передачу только, если канал не занят другой станцией. Канал считается свободным при выполнении двух условий:

● в канале (т.е. на выходе радиоприемника станции) нет несущей;

● таймер NAV станции обнулен.

NAV (от Network Allocation Vector, сетевой вектор резервирования) – это таймер

обратного счета, который есть на каждой станции. Текущее значение его (в мкс) определяет продолжительность занятости канала некоторой станцией. С каждой микросекундой

содержимое таймера уменьшается на 1. Когда станция обнаружит в канале передачу кадра (это может быть кадр данных, служебный кадр или кадр RTS), то она считает поле D (рис.1) кадра и сравнит значение D со значением своего таймера NAV. Если значение D больше значения таймера, то таймер переустановится на значение D. Пока таймер NAV станции не обнулится, она должна воздерживаться от передачи кадра в канал.

Предотвращение (конечно не абсолютное) коллизий в технологии CSMA/CA основывается на применении распределенной функции координации DCF – Distributed Coordination Function. Суть этого базового механизма поясняет рис.2. Использованы следующие обозначения:

DIFS DCF Interframe Space – межкадровый зазор DCF;

SIFS Short Interframe Space – сокращенный межкадровый зазор;

BT Backoff Time – таймер обратного счета;

ST SlotTime – канальный интервал;

CW Contention Window – окно конкуренции.

SIFS │<─>│ │<─────── BT ──────>│

╔═════════════╗ │ │ ╔═════════ ═ ═ ═

║ Канал занят ║ │ │ ─>│ │<─ST ║ Передача кадра

───╚═════════════╝─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─╚═╪═╪═╪═══─═─═─═─ t

DIFS │<─────>│<──────── CW ───────────>│

t1 t2 t3 t4

Рис. 2

Станции, желающие передать кадр данных или служебный кадр и убедившись, что канал свободен (момент t1), прежде чем начать передачу (момент t3), выжидают в течение определенного промежутка времени. Промежуток складывается из постоянной задержки DIFS и случайной для каждой станции задержки BT. Станция, у которой BT меньше, первой обнаружит отсутствие несущей в канале и начнет передачу. В результате значительно снижается вероятность возникновения коллизий, т.к. вероятность того, что у двух станций будет одинаковое BT чрезвычайно мала. Подобная процедура применяется и в сетях Ethernet, но в них она запускается после возникновения коллизии, а здесь – перед нормальной передачей кадра.

Остановимся более подробно на задержке BT. Она вычисляется в момент t2 всеми

станциями, желающими передать кадр. С этого же момента начинается декремент BT. В процессе декремента станции продолжают прослушивать канал и, если несущей в канале не было и BT у станции обнулился, то эта станция начнет передачу (момент t3).

Все задержки (рис.2) выражаются целым числом канальных интервалов ST. Его значение определяется параметрами физического уровня. Для IEEE 802.11b значение ST=20 мкс, для 802.11g – ST=9 мкс или 20 мкс.

Задержка BT в процессе вычисления может получить любое случайное значение от нуля до CW. Ширина окна конкуренции CW зависит от номера попытки начать передачу. Для первой попытки CW = 31 ST. Если первая попытка окажется неудачной (станции сгенерируют одинаковые BT и позднее обнаружат коллизию), то вся процедура захвата канала будет повторена, но с почти удвоенным значением CW (63 ST). Расширение окна уменьшает вероятность получения одинаковых BT. В последующих попытках, если таковые случатся, ширина окна конкуренции будет 127 ST, 255 ST, 511 ST и 1023 ST.

Что произойдет с таймером BT станции, если ее опередила другая и начала передачу? Декремент таймера станции в момент t3 будет приостановлен, станция будет ожидать освобождения канала, а затем повторит попытку захвата канала. Однако теперь станция не будет вычислять BT заново, а воспользуется тем значением, которое осталось у нее в BT от предыдущей попытки. Это повышает ее шансы на успех и это справедливо.

Работе функции DCF могут серъезно мешать “скрытые” узлы в сети BSS. Скрытыми

называют такие станции, которые не находятся в области покрытия друг друга. Эти станции не слышат взаимной активности в сети и, следовательно, не могут корректно выполнять некоторые положения DCF. Для того, чтобы разрешить проблему скрытых узлов, функция DCF опционально предусматривает возможность использования алгоритма RTS/CTS (рис.3). На рисунке также показано, когда посылаются управляющие кадры подтверждения АСК.

Станция-отправитель кадра данных

Передача кадра

│ ╔═══╗ ╔═ ═ ═╗ │

│ ║RTS║ ║ ║ │

─────────────╚═══╝─────────────────────╚═─═─═╝──────────────────────────t

│<── DIFS ──>│ │ │<─SIFS─>│ │<─SIFS─>│ │<── DIFS ──>│

t1 │ │ │ │

Станции, │<─────────────────────── NAV1 ─────────>│

принявшие RTS │<─SIFS─>│ │ │ │

t2 ╔═══╗ ╔═══╗

Станция-получатель ║CTS║ ║ACK║

кадра данных ──╚═══╝───────────────────────╚═══╝──────t

│ │

Станции, принявшие CTS │<────────── NAV2 ─────────>│

t3 t4

Рис. 3

Станция (например клиентская в сети BSS), имеющая данные для передачи (на Точку доступа), после завершения интервала DIFS (момент t1), сначала пошлет в канал короткий (20 байт) управляющий кадр RTS (Ready to Send) – готовность к отправке кадра данных. В поле А1 (рис.1) этого кадра содержится адрес получателя данных, а в поле D – планируемая продолжительность предстоящей передачи (время от t2 до t4). Все станции в зоне действия станции RTS, кроме скрытых узлов, примут этот кадр, извлекут из него значение D и

переопределят свои таймеры NAV на значение D (кроме станции-получателя данных). Новое значение NAV на рис.3 обозначено как NAV1. На это время станции воздержутся от передачи.

Если станция-получатель примет кадр RTS, то в ответ передаст короткий (14 байт)

управляющий кадр СTS (Clear to Send) – готовность к приему кадра данных. Для отправки СTS станция не будет бороться в окне конкуренции, а передаст кадр с высшим приоритетом сразу по истечении специального короткого интервала SIFS. Передаче мешать никто не будет, т.к. SIFS короче DIFS на два канальных интервала (рис.2). Значение продолжительности D в кадре СTS будет теперь как время от t3 до t4. Скрытые узлы, которые не слышали передачи кадра RTS, обязательно услышат передачу СTS (т.е. Точки доступа), переопределят свои таймеры NAV на значение NAV2 и на это время тоже воздержутся от передачи.

После получения подтверждения готовности к приему, станция-отправитель, спустя то же время SIFS, передаст свой кадр с данными. Станция-получатель примет этот кадр и, если ошибок в нем не обнаружит, то через время SIFS подтвердит прием посылкой короткого (14 байт) управляющего кадра ACK (подтверждение).

Какой выбрать алгритм передачи - RTS/CTS или базовый DCF определяется настройкой станции. Для передачи коротких кадров обычно используется базовый DCF, а для передачи длинных – алгритм передачи RTS/CTS.