1.4. 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:

● кадры данных;

● управляющие кадры;

● служебные кадры .

Базовой структурой всех кадров является основной формат кадра передачи данных, показанный на рис. 2. Кадры данных применяются для переноса пользовательских данных от одной станции к другой. Нес-колько 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 со-держать МАС-адреса транзитных узлов. В результате кадр может иметь до четырех адресных полей. Во-вторых, из-за сложности процедур дос-тупа 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. 2. Основной формат кадра канального уровня

FC Frame Control – управляющее поле кадра. Обязательно для кадров всех классов. Содержит подполе типа кадра, указатель направле- ния передачи (к распределительной системе или от нее), указатель шифрования и др. подполя.

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

A1 МАС-адрес беспроводной станции-получателя (если кадр переда- тся внутри BSS или из распределительной системы) или BSSID (если кадр передается от беспроводной станции в распределитель- ную систему). BSSID – это числовой идентификатор BSS, неизмен- ный уникальный МАС-адрес ТД. В сети Ad-Hoc BSSID генериру- ется случайным образом первой станцией сети и передается всем другим станциям этой сети. Не путать с физическим адресом WLAN-адаптера.

A2 МАС-адрес беспроводной станции-отправителя (если кадр переда- тся внутри BSS или в распределительную систему) или BSSID (если кадр передается из распределительной системы к беспровод- ной станции).

A3 BSSID (если кадр передатся внутри BSS) или МАС-адрес беспро- водной станции-отправителя (если кадр передатся из распредели- тельной системы к беспроводной станции) или МАС-адрес беспро- водной станции-получателя (если кадр передатся от беспроводной станции в распределительную систему).

A4 Используется только в беспроводной распределительной системе и содержит МАС-адрес беспроводной станции-отправителя, а поле А3 – МАС-адрес беспроводной станции-получателя. В полях А1 и А2 указываются МАС-адреса соответственно промежуточного по- лучателя и отправителя.

SC Sequence Control – контроль последовательности кадров. Содержит порядковый номер кадра и номер фрагмента (если есть фрагмента- ция). 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 поли- нома степени 32.

Для передачи кадров по сети WLAN используется некоторый вы-бранный радиоканал (см. табл. 3). Он представляет собой общую широ-ковещательную, разделяемую во времени среду, вроде коаксиального кабеля сети Ethernet. Это означает, что в любой момент по каналу пере-давать 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 обнаружить очень сложно. Поэтому для WLAN принят следу-ющий способ передачи кадров:

● передача всех кадров идет в полудуплексном режиме;

● принятые корректно и без ошибок кадры данных и служебные кадры получатель всегда подтверждает посылкой управляющего 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 были ошибки. В таком случае кадр по-сылается повторно. Способ передачи надежный, простой, но не такой быстрый.

Рассмотрим организацию совместного равноправного доступа кли-ентов к радиоканалу в сети IEEE 802.11. Основным методом доступа здесь является CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avo-idance) – множественный доступ с проверкой несущей и предотвраще- нием коллизий.

По этому методу, каждая станция может начать передачу только, если канал не занят другой станцией. Канал считается свободным при одновременном 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. Теку-щее значение его (в мкс) определяет продолжительность занятости канала некоторой станцией. С каждой микросекундой содержимое тай-мера 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 кадра (см. рис. 2) и сравнит значение D со значе-нием 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 коор-динации DCF – Distributed Coordination Function. Суть этого базового механизма поясняет рис. 3. 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. 3. Захват радиоканала для передачи кадра

Станции, желающие передать кадр данных или служебный кадр и убедившись, что канал свободен (момент t1), прежде чем начать пере-дачу (момент t3), выжидают в течение определенного промежутка вре-мени. Промежуток складывается из постоянной задержки DIFS и слу-чайной для каждой станции задержки BT. Станция, у которой BT мень-ше, первой обнаружит отсутствие несущей в канале и начнет передачу. В результате значительно снижается вероятность возникновения кол-лизий, 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 (см. рис. 3) 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 случай-ное 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 оди-наковые 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 конку-ренции будет 127 ST, 255 ST, 511 ST и 1023 ST.

Работе функции DCF могут серъезно мешать “скрытые” узлы в сети BSS. Скрытыми называют такие станции, которые не находятся в обла-сти покрытия друг друга. Эти станции не слышат взаимной активности в сети и, следовательно, не могут корректно выполнять некоторые по-ложения DCF. Для того, чтобы разрешить проблему скрытых узлов, функция DCF опционально предусматривает возможность использова-ния алгоритма RTS/CTS (см. рис. 4). 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. 4. Использование процедуры “запрос передачи” - “разрешение передачи”

Станция (например клиентская в сети BSS), имеющая данные для передачи, после завершения интервала DIFS (момент t1), сначала пош-лет в канал короткий (20 байт) управляющий кадр RTS (Ready to Send) – готовность к отправке кадра данных. В поле А1 (рис. 2) этого кадра содержится адрес получателя данных, а в поле D – планируемая про-должительность 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. 4 обозначено как NAV1. На это время эти станции воздержутся от передачи.

Если станция-получатель примет кадр RTS, то в ответ передаст ко-роткий (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 ис-течении специального короткого интервала SIFS. Передаче мешать ник-то не будет, т.к. SIFS короче DIFS на два канальных интервала (рис. 3). Значение продолжительности D в кадре СTS будет теперь как время от t3 до t4. Скрытые узлы, которые не слышали передачи кадра RTS, обя-зательно услышат передачу СTS (т.е. Точки доступа), переопределят свои таймеры NAV на значение NAV2 и на это время тоже воздержут-ся от передачи.

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