Разработка интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi

Второй важный момент связан с возникновением эффекта многолучевой интерференции: в результате многократных отражений один и тот же сигнал может попадать в приёмник различными путями, имеющими различные длины. Следовательно, в точке приёма результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов с различными амплитудами и смещёнными относительно друг друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами.

Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах. При использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определённые частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, - противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте.

Если при передаче сигналов, максимальная задержка между различными сигналами не превосходит времени длительности одного символа, и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Если же максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, то возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).

Наиболее отрицательно на искажении сигнала сказывается межсимвольная интерференция, так как после нее восстановить исходный сигнал крайне сложно. В стандарте 802.11а используется метод кодирования данных, который состоит в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведётся параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счёт одновременной передачи данных по всем каналам, а скорость передачи в отдельном подканале может быть и не высокой. Поскольку в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, это создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой - достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу. С точки зрения математики ортогональность функций означает, что их произведение, усреднённое на некотором интервале, должно быть равно нулю. Это выражается простым соотношением:

где T - период символа, f_k, f_l - несущие частоты каналов k и l.

Хотя сами частотные подканалы могут и перекрывать друг друга, однако ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, отсутствие межканальной интерференции (рис. 25).



Рисунок 25. Частотное разделение каналов с ортогональными

несущими сигналами

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). [10]

Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создаёт предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Неотъемлемой частью технологии OFDM является понятие охранного интервала (Guard Interval, GI) - это циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое вначале символа. Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приёме символа в приёмнике, но именно она служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции.

Наличие охранного интервала создаёт временные паузы между отдельными символами, и если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает (см. рис. 26).

Рисунок 26. Охранный интервал препятствует возникновению

межсимвольной интерференции

В протоколе 802.11а длительность охранного интервала составляет одну четвёртую длительности самого символа. При этом сам символ имеет длительность 3,2 мкс, а охранный интервал - 0,8 мкс. Таким образом, длительность символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс.

В протоколе 802.11а используются двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK для кодирования в одном дискретном состоянии сигнала (символе) нескольких информационных битов. При использовании BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит. Соответственно при использовании QPSK-модуляции в одном символе кодируется два информационных бита. Модуляция BPSK используется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK - на скоростях 12 и 18 Мбит/с. [6]

Для передачи на более высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Сalled Quadrature Amplitude Modulation). Данный тип модуляции подразумевает, что информация кодируется не только за счёт изменения фазы сигнала, но и за счёт его амплитуды. В протоколе 802.11а используется модуляция 16-QAM и 64-QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе. Во втором случае имеется уже 64 возможных состояния сигнала, что позволяет закодировать последовательность 6 битов в одном символе. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM - на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

Для того чтобы обеспечить достоверность принимаемых данных, то есть иметь возможность обнаруживать и исправлять ошибки, используют избыточную информацию и свёрточное кодирование. Суть свёрточного кодирования заключается в том, что к последовательности передаваемых битов добавляются проверочные биты, значения которых зависят от нескольких предыдущих переданных битов. Использование свёрточного кодирования в сочетании с алгоритмом Витерби позволяет не только обнаруживать, но и в подавляющем большинстве случаев исправлять ошибки передачи на приёмной стороне. [7]

При скорости свёрточного кодирования 1/2, на каждый информационный бит добавляется один служебный (избыточность равна 1/2). Именно по этой причине при скорости свёрточного кодирования 1/2 информационная скорость вдвое меньше полной скорости. При скорости свёрточного кодирования 3/4 на каждые три информационных бита добавляется один служебный, поэтому в данном случае полезная (информационная) скорость составляет 3/4 от полной скорости.

Из этого следует, что при использовании одного и того же типа модуляции могут получаться разные значения информационной скорости (см. таблицу 7) - всё зависит от скорости свёрточного кодирования. Так, при использовании BPSK-модуляции со скоростью свёрточного кодирования 1/2 получаем информационную скорость 6 Мбит/с, а при использовании свёрточного кодирования со скоростью 3/4 - 9 Мбит/с. Аналогичным образом каждому типу модуляции соответствуют две различные скорости передачи. При этом в самом протоколе 802.11а обязательными являются только скорости 6, 12 и 24 Мбит/с, а все остальные - опциональными.

Таблица 7. Различные скорости в протоколе 802.11а

Скорость данных, Мбит/с	Тип модуляции	Скорость свёрточного кодирования	Количество битов на символ в одном подканале	Общее количество битов в OFDM-символе (48 подканалов)	Количество битов данных в OFDM-символе
6	BPSK	1/2	1	48	24
9	BPSK	3/4	1	48	36
12	QPSK	1/2	2	96	48
18	QPSK	3/4	2	96	72
24	16-QAM	1/2	4	192	96
36	16-QAM	3/4	4	192	144
48	64-QAM	2/3	6	288	192
54	64-QAM	3/4	6	288	216

2.5 Локальные беспроводные сети стандарта 802.11 g

Стандарт 802.11g является логическим развитием 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. В то же время, по способу кодирования 802.11g является гибридным, заимствуя все лучшее из стандартов 802.11b и 802.11a. Максимальная скорость передачи в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с (как и в стандарте 802.11a), поэтому на сегодняшний день это наиболее перспективный стандарт беспроводной связи.

При разработке стандарта 802.11g рассматривались две несколько конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM, заимствованный из стандарта 802.11a и предложенный к рассмотрению компанией Intersil, и метод двоичного пакетного свёрточного кодирования PBCC, опционально реализованный в стандарте 802.11b и предложенный компанией Texas Instruments. В результате стандарт 802.11g содержит компромиссное решение: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC.

2.5.1 Метод двоичного пакетного свёрточного кодирования PBCC

В основе метода PBCC лежит так называемое свёрточное кодирование со скоростью 1/2. В любом свёрточном кодере используются запоминающие ячейки (регистры) и логические элементы XOR.

Главным достоинством свёрточных кодеров является помехоустойчивость формируемой ими последовательности. При избыточности кодирования (каждому информационному биту ставится в соответствие дибит, то есть избыточность кода равна 1/2 даже в случае возникновения ошибок приёма (к примеру, вместо дибита 11 ошибочно принят дибит 10) исходная последовательность битов может быть безошибочно восстановлена. Для восстановления исходной последовательности битов на стороне приёмника применяется декодер Витерби.

В протоколе 802.11g также как и в 802.11b используются свёрточные кодеры, состоящие из шести запоминающих ячеек (K = 6) со скоростью кодирования 1/2. Схема такого кодера показана на рис. 27.

Рисунок 27. Схема свёрточного кодера (K = 6); скорость кодирования

равна 1/2

Дибит, формируемый в свёрточном кодере, используется в дальнейшем в качестве передаваемого символа, но предварительно этот дибит подвергается фазовой модуляции (см. рис. 27). Если скорость передачи составляет 11 Мбит/с, то применяется квадратичная фазовая модуляция QPSK, то есть каждому их четырёх возможных состояний дибита соответствует одна из четырёх возможных фаз. Если же скорость передачи составляет 5,5 Мбит/с, то используется двоичная фазовая модуляция BPSK. При этом каждый бит Y0 и Y1, формируемый свёрточным кодером, последовательно подвергается фазовой модуляции.

Технология PBCC достаточна проста. В отличие от технологий DSSS (коды Баркера, ССК-последовательности) в ней не используется технология уширения спектра за счёт применения шумоподобных последовательностей, однако уширение спектра до стандартных 22 МГц предусмотрено и в данном случае. Для этого применяют вариации возможных сигнальных созвездий QPSK и BPSK. Схема PBCC-модулятора изображена на рис. 28.

Рисунок 28. Схема PBCC-модулятора

Сигнальные созвездия представляют собой геометрическое отображение возможных выходных состояний сигнала. Для QPSK-модуляции имеется четыре дискретных состояний сигнала: 00, 01, 10 и 11. Каждому из этих дибитов соответствует одна из четырёх возможных фаз несущего сигнала. Выбор одного из возможных состояний определяется комбинацией управляющих сигналов синфазного и квадратурного каналов d_I и d_Q, принимающих значения +1 и -1. Следовательно, каждому состоянию сигнала соответствует пара координат d_I и d_Q. Расположение точек на сигнальном созвездии может быть различным, то есть комбинация управляющих сигналов d_I = +1 и d_Q = -1 может соответствовать дибиту 00, а может - и дибиту 10. Фактически это означает, что в первом случае дибиту 00 ставится в соответствие одно значение фазы несущего сигнала, а во втором - другое. Именно этот принцип реализован в методе PBCC для уширения спектра выходного сигнала. Используется по два сигнальных созвездия QPSK и BPSK (см. рис. 29).

Рисунок 29. Типы сигнальных созвездий при QPSK и

BPSK-модуляциях

Выбор между конкретным типом используемого созвездия задаётся управляющим сигналом S, принимающим значение 0 или 1. Этот сигнал задаётся псевдослучайной последовательностью с периодом повторения 256 бит, которая формируется из 16-битной базовой последовательности 0011001110001011. Для того чтобы из данной базовой 16-битной последовательности получить 256-битную, используют циклический сдвиг одновременно трёх первых символов. Так получают еще пятнадцать 16-битовых последовательностей, что в сумме дает одну 256-битную.

Опционально в протоколе 802.11g технология PBCC может использоваться при скоростях передачи 22 и 33 Мбит/с.

При скорости 22 Мбит/с, по сравнению с рассмотренной схемой PBCC, имеются два отличия. Прежде всего, используется фазовая 8-позиционная модуляция 8-PSK, то есть фаза сигнала может принимать восемь различных значений. Это позволяет в одном символе кодировать уже 3 бита и, следовательно, увеличить информационную скорость передачи. Кроме того, в схему, кроме свёрточного кодера, добавлен пунктурный кодер.

Избыточность свёрточного кодера равная 1/2 достаточна высока и при определённых условиях помеховой обстановки является излишней, поэтому можно уменьшить избыточность, чтобы, к примеру, каждым двум входным битам соответствовало три выходных. Для этого в схему со сверточным кодером добавляется блок, который будет просто уничтожать лишние биты. Каждый пунктурный кодер характеризуется матрицей (Рerforation Мatrix), выполняющей функцию шаблона для удаления лишних битов.

Пусть пунктурный кодер удаляет один бит из каждых четырёх входных битов, вырезая из последовательности Y0 каждый второй бит. Тогда каждым четырём входящим битам будет соответствовать три выходящих. Скорость такого кодера составляет 4:3 (см. рис. 30).

Рисунок 30. Принцип работы пунктурного кодера

Если же такой кодер используется в паре со свёрточным кодером со скоростью 1/2, то общая скорость кодирования составит уже 2/3, то есть каждым двум входным битам будет соответствовать три выходных.

В свёрточный кодер (K = 6, R = 1/2) данные поступают со скоростью 22 Мбит/с. После добавления избыточности в свёрточном кодере биты со скоростью потока 44 Мбит/с поступают в пунктурный кодер 4:3, в котором избыточность уменьшается так, чтобы на каждые четыре входных бита приходились три выходных. Следовательно, после пунктурного кодера скорость потока составит уже 33 Мбит/с. Это не информационная скорость, а общая скорость с учётом добавленных избыточных битов. Полученная в результате последовательность направляется в фазовый модулятор 8-PSK, где каждые три бита упаковываются в один символ. При этом скорость передачи составит 11 М символ/с, а информационная скорость - 22 Мбит/с (см. рис. 31).

Рисунок 31. Схема кодирования при скорости передачи 22 Мбит/с

Аналогичная технология кодирования предусматривается протоколом 802.11g и на скорости 33 Мбит/с, но для повышения скорости используется увеличение входной скорости данных и еще большее уменьшение избыточности.

В самом стандарте 802.11g обязательными являются скорости передачи 1; 2; 5,5; 6; 11; 12 и 24 Мбит/с, а более высокие скорости передачи (33, 36, 48 и 54 Мбит/с) - опциональными. Кроме того, одна и та же скорость передачи может реализовываться при различной технике модуляции. Например, скорость передачи 24 Мбит/с может быть достигнута как при многочастотном кодировании OFDM, так и при гибридной технике кодирования CCK-OFDM (см. таблицу 8).

Таблица 8. Скорости передачи, предусмотренные протоколом 802.11g

Скорость, Мбит/с	Метод кодирования
	Обязательно	Опционально
1	Последовательность Баркера
2	Последовательность Баркера
5,5	CCK	PBCC
6	OFDM	CCK-OFDM
9		OFDM, CCK-OFDM
11	CCK	PBCC
12	OFDM	CCK-OFDM
18		OFDM, CCK-OFDM
22		PBCC
24	OFDM	CCK-OFDM
33		PBCC
36		OFDM, CCK-OFDM
48		OFDM, CCK-OFDM
54		OFDM, CCK-OFDM

Для обязательных скоростей в стандарте 802.11g используется только кодирование CCK и OFDM, а гибридное кодирование и кодирование PBCC являются опциональными.

Любой передаваемый пакет данных содержит преамбулу, заголовок со служебный информацией и поле данных. Когда речь идет о пакете в формате CCK, имеется в виду, что заголовок и данные кадра передаются в формате CCK. Аналогично при использовании технологии OFDM заголовок кадра и данные передаются посредством OFDM-кодирования. При применении технологии CCK-OFDM заголовок кадра кодируется с помощью CCK-кодов, но сами данные кадра передаются с использованием многочастотного OFDM-кодирования. Таким образом, технология CCK-OFDM является своеобразным гибридом CCK и OFDM. Технология CCK-OFDM не единственная гибридная технология - при использовании пакетного кодирования PBCC заголовок кадра передаётся с использованием CCK-кодов, только данные кадра кодируются с использованием PBCC (рис. 32).

Рисунок 32. Форматы кадров при использовании различного

кодирования в 802.11g

2.6 Метод доступа к физической среде передачи CSMA/CA

Уровень MAC стандарта 802.11 реализует доставку данных, управление доступом к физическому уровню и безопасность передачи данных. В радиоканалах из-за воздействия большого количества факторов, таких как помехи, шум, искажения, затухание, отражения возможны потери данных. Для исключения потерь данных в стандарте 802.11 предусмотрено использование помехоустойчивого кодирования и повторная передача по запросу на MAC уровне. Благодаря запросу повторной передачи пакет данных MAC уровня будет обязательно доставлен адресату.

Базовый алгоритм соединения для передачи данных содержит два действия: передачу кадра данных от источника и передачу подтверждения приема (АСК) от получателя источнику сообщения. Для повышения надежности передачи данных имеется алгоритм с обменом четырьмя кадрами (см. рис. 33).

Рисунок 33. Алгоритм установления соединения с использованием

запроса передачи

Источник передает кадр запроса передачи (RTS - Request To Send) и тем самым оповещает все станции в зоне радиовидимости о том, что происходит обмен информацией. Все станции, принявшие кадр RTS, воздерживаются от передачи для исключения конфликтов. Станция-получатель отвечает станции-источнику кадром готовности к приему (CTS - Clear To Send). После приема кадра CTS станция-источник передает кадр данных, а станция-получатель после приема кадра данных передает кадр подтверждения приема (АСК - Acknowledge).

Для управления доступом к физической среде стандартом используется протокол DFW MAC, который основан на контроле несущей и устранении конфликтов путем подтверждения приема данных при многостанционном доступе (протокол доступа CSMA-CA).

Для определения, занят или нет канал используется алгоритм оценки уровня сигнала в канале (ССА), предусматривающий измерение мощности сигналов на входе приемника (RSSI) и качества сигнала (SQ). Если мощность сигналов на входе приемника ниже заданного порогового значения, то канал считается свободным, и на уровне доступа к каналу (MAC) состояние канала устанавливается равным «свободен» (CTS). Если мощность принятых сигналов выше порогового значения, то передача данных не производится в соответствии с протоколом.

Протокол DFW MAC за счет процедуры подтверждения приема и повторной передачи на уровне MAC позволяет восстанавливать данные на низком уровне, что обеспечивает надежность связи в условиях конфликтов при доступе к общей среде и внешних помех.

Конфликты между передаваемыми пакетами возможны, так как распознавание приемником несущей уже передаваемого сигнала другими станциями затруднено из-за существенного разброса амплитуд сигналов вследствие затухания распространения, а также из-за того, что станции стандарта 802.11 работают в полудуплексном режиме, поэтому во время передачи данных не принимают сигналы, а следовательно, не обнаруживают конфликты. В результате возможны ошибки в принятии решения о занятости канала и, следовательно, одновременная передача пакетов двумя или более станциями. Устранение этого недостатка обеспечивается уменьшением зоны обслуживания, либо расширением динамического диапазона приемников станций, определяющих наличие чужой несущей в канале.

Протокол DFW MAC позволяет вводить приоритеты для передачи сигналов с различной категорией важности либо с повышенными требованиями к задержке передачи Приоритеты реализуются через введение задержки разрешения захвата канала. Это возможно благодаря «соревновательному» принципу захвата канала абонентской станцией: первая начавшая передачу после освобождения канала станция занимает канал (рис. 34).

Рисунок 34. Принцип захвата канала абонентской станцией по

протоколу DFW MAC

Протокол CSMA/CA с задержкой разрешения захвата канала функционирует следующим образом.

Абонентская станция, готовая к передаче данных, прослушивает канал и, если канала свободен, то станция задерживает передачу данных на время задержки разрешения захвата. Передача данных начинается, если в момент времени t₀+_зк канал оказывается свободным.

Таким образом, если канал занят либо занимается другой станции в течение времени задержки разрешения захвата, канал абонентской станции, у которой установлено данное значение _зк, не может быть занят.

Поэтому, если освобождение канала для передачи данных ожидают одновременно две станции с разными значениями _зк, то канал после освобождения будет занят той станцией, у которой _зк меньше (см. рис. 35).

Рисунок 35. Принцип захвата канала абонентской станцией по

протоколу CSMA/CA

Если станции с меньшим _зк не требуется передача пакетов данных, то канал может занять станция 2. Однако в любом случае абонентские станции с _зк1 имеют преимущество по захвату канала, так как меньшее время _зк дает им возможность первоочередного захвата канала. Таким образом и реализуется приоритетная передача информации.

В DFW MAC используется три значения задержки захвата каналов. Наименьшая задержка захвата используется для сообщений, требующих минимальной задержки передачи, например речи. Для управляющей информации имеет место среднее значение задержки захвата, и наибольшее значение задержки захвата используется для асинхронной передачи данных.

Структура кадра MAC стандарта 802.11 приведена на рис. 36:

Рисунок 36. Формат кадра МАС стандарта 802.11

FC - поле управления кадром используется для указания типа кадра и передачи битов управления.

Версия протокола 802.11 обозначается двумя битами и допускает четыре варианта. Кадры уровня MAC могут содержать информацию управления, данные и информацию контроля состояния оборудования. Детализация действий АС после приема кадра содержится в поле указателя действий, состоящем из четырех бит.

DS1, DS2 - указатели направления передачи данных показывают, кому предназначены данные: распределительной системе (к точкам доступа) или станции, и источник данных.

MF - если количество пакетов MAC больше одного и передаваемый пакет не последний, то указатель количества пакетов устанавливается в единичное состояние.

RT - если пакет передается повторно, то указатель повторной передачи выставляется в единичное состояние.

PM - указатель режима излучения используется для включения режимов энергосбережения.

MD - если текущим кадром МАС-уровня не исчерпываются все предназначенные к передаче данные, то указатель количества данных устанавливается в единичное состояние, что соответствует неполной передаче данных.

W - единичное состояние указателя использования алгоритма шифрования и конфиденциального обмена ключами в соответствии с протоком WEP говорит о применении алгоритмов шифрования.

O - в случае если кадры MAC содержат данные, последовательность которых строго упорядочена, то указатель соблюдения очередности устанавливается в единичное состояние.

В целом поле управления позволяет передавать информацию о необходимых действиях при организации приема-передачи данных в сети стандарта 802.11.

D/I - поле длительности соединения указывает время в микросекундах, которое требуется для передачи МАС-кадра. Иногда в этом поле указывается идентификатор соединения.

В МАС-кадре может быть указано четыре поля адреса: адрес источника, адрес получателя данных, адрес передающей станции и адрес приемной станции.

SC - в поле управления очередностью указываются номер пакета (4 бита), используемый при разбиении исходного сообщения на пакеты и последующей сборки, и порядковый номер (12 бит), который служит для нумерации кадров, передаваемых между конкретными станциями.

В поле данных передаются либо данные LLC-уровня, либо информация управления уровня MAC.

Для обнаружения ошибок в принимаемом кадре применяется 32-битовое поле проверки на четность. Ошибки только обнаруживаются. Исправление ошибок достигается в необходимых случаях повторной передачей по запросу.

Образующий полином двоичного кода проверки на четность задается выражением

g(x)=x³²+x²⁶ + x²³+x²² + x¹⁶ + x^l2+x¹¹+x¹⁰ + x⁸+x⁷ + x⁵+x⁴ + x² + x+1. [5]

Глава 3. Принципы построения интегрированной сети

3.1 Требования, предъявляемые к локальным вычислительным

сетям

локальный проводной сеть интегрированный

Главным требованием, предъявляемым к сети, является выполнение сетью ее основной функции - обеспечение пользователям возможности доступа к разделяемым ресурсам. Остальные требования - производительность, надежность, совместимость, управляемость, защищенность, расширяемость и масштабируемость - связаны с качеством выполнения этой основной задачи (QoS).

3.1.1 Производительность

Существует несколько основных характеристик производительности сети:

· время реакции;

· пропускная способность;

· задержка передачи и вариация задержки передачи.

Время реакции сети определяется как интервал времени между возникновением запроса пользователя к какой-либо сетевой службе и получением ответа на этот запрос.

Время реакции сети обычно складывается из нескольких составляющих. В общем случае в него входит время подготовки запросов на клиентском компьютере, время передачи запросов между клиентом и сервером через сегменты сети и промежуточное коммуникационное оборудование, время обработки запросов на сервере, время передачи ответов от сервера клиенту и время обработки получаемых от сервера ответов на клиентском компьютере.

Пропускная способность отражает объем данных, переданных сетью или ее частью в единицу времени. Пропускная способность говорит о скорости выполнения внутренних операций сети - передачи пакетов данных между узлами сети через различные коммуникационные устройства. Она непосредственно характеризует качество выполнения основной функции сети - транспортировки сообщений.

Пропускную способность можно измерять между любыми двумя узлами или точками сети, например между клиентским компьютером и сервером, между входным и выходным портами маршрутизатора. Для анализа и настройки сети очень полезны данные о пропускной способности отдельных элементов сети.

Из-за последовательного характера передачи пакетов различными элементами сети общая пропускная способность сети любого составного пути в сети будет равна минимальной из пропускных способностей составляющих элементов маршрута. Для повышения пропускной способности составного пути необходимо в первую очередь обратить внимание на самые медленные элементы - таким элементом может быть маршрутизатор.

Задержка передачи определяется как задержка между моментом поступления пакета на вход какого-либо сетевого устройства или части сети и моментом появления его на выходе этого устройства. Этот параметр производительности отличается от времени реакции сети, тем, что всегда характеризует только сетевые этапы обработки данных, без задержек обработки компьютерами сети.

Пропускная способность и задержки передачи являются независимыми параметрами, так что сеть может обладать, например, высокой пропускной способностью, но вносить значительные задержки при передаче каждого пакета.

3.1.2 Надежность и безопасность

Готовность означает долю времени, в течение которого система может быть использована. Готовность улучшается путем введения избыточности в структуру системы: ключевые элементы системы должны существовать в нескольких экземплярах, чтобы при отказе одного из них функционирование системы обеспечивали другие.

Интегрированная сеть должна как минимум обладать высокой готовностью. Но помимо этого необходимо обеспечить сохранность данных и защиту их от искажений. Также, должна поддерживаться согласованность данных, т.е. если для повышения надежности на нескольких файловых серверах хранится несколько копий данных, то нужно постоянно обеспечивать их идентичность.

Другим аспектом общей надежности является безопасность, то есть способность системы защитить данные от несанкционированного доступа.

Еще одной характеристикой надежности является отказоустойчивость - способность системы скрыть от пользователя отказ отдельных ее элементов. Например, если копии таблицы базы данных хранятся одновременно на нескольких файловых серверах, то пользователи просто не заметят отказ одного из них. В отказоустойчивой системе отказ одного из ее элементов приводит к некоторому снижению качества ее работы, а не к полной остановке.

3.1.3 Расширяемость и масштабируемость

Расширяемость означает возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной.

Масштабируемость означает, что сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сети не ухудшается.

3.1.4 Прозрачность

Сеть прозрачна, когда она представляется пользователям не как множество отдельных компьютеров, связанных между собой сложной системой кабельных соединений, а как единая вычислительная машина с системой разделения времени.

Сеть должна скрывать все особенности операционных систем и различия в типах компьютеров.

3.1.5 Поддержка разных видов трафика

В настоящее время требуется совмещение в одной сети традиционного компьютерного и мультимедийного трафика. Главной особенностью мультимедийного трафика, образующегося при динамической передаче голоса или изображения, является наличие жестких требований к синхронности передаваемых сообщений. В то же время трафик компьютерных данных характеризуется крайне неравномерной интенсивностью поступления сообщений в сеть при отсутствии жестких требований к синхронности доставки этих сообщений.

Передача исключительно мультимедийного трафика компьютерной сетью хотя и связана с определенными сложностями, но вызывает меньшие трудности. А вот случай сосуществования двух типов трафика с противоположными требованиями к качеству обслуживания является намного более сложной задачей.

3.1.6 Управляемость

Управляемость сети подразумевает возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети.

Средства управления сетями представляют собой систему, осуществляющую наблюдение, контроль и управление каждым элементом сети - от простейших до самых сложных устройств, при этом такая система рассматривает сеть как единое целое, а не как разрозненный набор отдельных устройств.

Однако большинство существующих средств не управляют сетью, а всего лишь осуществляют наблюдение за ее работой. Они следят за сетью, но не выполняют активных действий, если с сетью что-то произошло или может произойти.

3.1.7 Совместимость

Совместимость или интегрируемость означает, что сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение, то есть в ней могут сосуществовать различные операционные системы, поддерживающие разные стеки коммуникационных протоколов, и работать аппаратные средства и приложения от разных производителей. [1]

Вышеперечисленным требованиям наиболее полно отвечает технология локальных сетей Ethernet. Это наиболее распространенная и не дорогая на сегодняшний день технология для построения локальных сетей. Сегодня в мире создано уже несколько миллионов сетей, работающих по протоколу Ethernet на разных скоростях.

Стандарт Fast Ethernet, являющийся расширением основного стандарта, обеспечивает скорость передачи данных до 100 Мбит/с. Универсальность стандарта заключается еще и с том, что имеется возможность использования различных сред передачи сигналов: витая пара или оптическое волокно.

Сети Ethernet устраивали пользователей в течение очень длительного времени, но с бурным развитием мобильных технологий проводные сети начали сковывать передвижения мобильных абонентов. Назрела необходимость во внедрении и широком использовании беспроводных стандартов локальных сетей. Специально для этого был создан стандарт Radio Ethernet, являющийся беспроводной версией протокола Ethernet. Сети построенные по беспроводному протоколу часто называются сетями Wi-Fi (Wireless Fidelity).

У обоих стандартов много общего, что позволяет без серьезных затруднений объединять проводные и беспроводные сети. Поэтому построение интегрированной сети целесообразно вести с использованием данных технологий. Такой подход обеспечит хорошую совместимость оборудования и высокую пропускную способность сети.

3.2 Обзор топологий локальных сетей Ethernet

В сетях с небольшим количеством компьютеров чаще всего используется одна из типовых топологий - общая шина, кольцо, звезда или полносвязная сеть. Все перечисленные топологии обладают свойством однородности, то есть все компьютеры в такой сети имеют одинаковые права в отношении доступа к другим компьютерам (за исключением центрального компьютера при соединении звезда). Такая однородность структуры делает простой процедуру наращивания числа компьютеров, облегчает обслуживание и эксплуатацию сети.

Однако при построении больших сетей однородная структура связей превращается в недостаток. В таких сетях использование типовых структур порождает различные ограничения, важнейшими из которых являются:

· ограничения на длину связи между узлами;

· ограничения на количество узлов в сети;

· ограничения на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети.

Для снятия этих ограничений используются специальные методы структуризации сети и специальное структурообразующее оборудование - коммутаторы, маршрутизаторы.

В стандарте Fast Ethernet строго зафиксирована топология электрических связей. Компьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой «общая шина» (рис. 37). С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера могут обмениваться данными. Управление доступом к линии связи осуществляется специальными контроллерами - сетевыми адаптерами Fast Ethernet. Передача данных происходит со скоростью 100 Мбит/с. Эта величина является пропускной способностью сети Fast Ethernet.

Главным достоинством сетей Ethernet является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент кабеля нужной длины.

Рисунок 37. Сеть Ethernet

3.2.1 Физическая и логическая структуризация сети

Под физической топологией понимается конфигурация связей, образованных отдельными частями кабеля, а под логической - конфигурация информационных потоков между компьютерами сети. Во многих случаях физическая и логическая топологии сети совпадают.

Сеть с типовой топологией (шина, кольцо, звезда), в которой все физические сегменты рассматриваются в качестве одной разделяемой среды, оказывается неадекватной структуре информационных потоков в большой сети. Например, в сети с общей шиной взаимодействие любой пары компьютеров занимает ее на все время обмена, поэтому при увеличении числа компьютеров в сети шина становится узким местом.

Решение проблемы состоит в отказе от идеи однородной единой разделяемой среды в пределах всей сети. Для логической структуризации сети используются такие коммуникационные устройства, как коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

Коммутатор делит разделяемую среду передачи сети на части (часто называемые логическими сегментами), передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если такая передача действительно необходима, то есть если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. Тем самым коммутатор изолирует трафик одной подсети от трафика другой, повышая общую производительность передачи данных в сети. Локализация трафика не только экономит пропускную способность, но и уменьшает возможность несанкционированного доступа к данным, так как кадры не выходят за пределы своего сегмента и их сложнее перехватить злоумышленнику.

На рис. 38 показана сеть, логически структурированная с помощью коммутаторов. Каждый логический сегмент построен на базе коммутатора доступа и имеет простейшую физическую структуру, образованную отрезками кабеля, связывающими компьютеры с портами коммутатора. Уровень доступа управляет доступом пользователей к ресурсам сети. Все сегменты соединены коммутатор уровня распределения.

Рисунок 38. Логическая структуризации сети с помощью коммутатора

Коммутатор используют для локализации трафика аппаратные адреса компьютеров. Он запоминает, через какой порт на него поступил кадр данных от каждого компьютера сети, и в дальнейшем передает кадры, предназначенные для этого компьютера, на этот порт. Точной топологии связей между логическими сегментами коммутатор не знает. Из-за этого применение коммутаторов приводит к значительным ограничениям на конфигурацию связей сети - сегменты должны быть соединены таким образом, чтобы в сети не образовывались замкнутые контуры.

Каждый порт коммутатора оснащен специализированным процессором, который обрабатывает кадры по алгоритму моста независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутатора обычно намного выше производительности традиционного моста, имеющего один процессорный блок.

Ограничения, связанные с применением коммутаторов - по топологии связей, а также ряд других причин, - привели к тому, что в ряду коммуникационных устройств появился еще один тип оборудования - маршрутизатор. Маршрутизаторы более надежно и более эффективно, чем коммутаторы, изолируют трафик отдельных частей сети друг от друга. Маршрутизаторы образуют логические сегменты посредством явной адресации. В адресах имеется поле номера сети, так что все компьютеры, у которых значение этого поля одинаково, принадлежат к одному сегменту, называемому в данном случае подсетью.

Кроме локализации трафика маршрутизаторы выполняют еще много других полезных функций. Так, маршрутизаторы могут работать в сети с замкнутыми контурами, при этом они осуществляют выбор наиболее рационального маршрута из нескольких возможных. Сеть, представленная на рис. 39, отличается от предыдущей (см. рис. 38) тем, что между подсетями рабочих групп 1 и 2 проложена дополнительная связь, которая может использоваться как для повышения производительности сети, так и для повышения ее надежности.



Рисунок 39. Логическая структуризация сети с помощью

маршрутизаторов

3.2.2 Стандарты кабелей

Кабель - это изделие, состоящее из проводников, слоев экрана и изоляции. В некоторых случаях в состав кабеля входят разъемы, с помощью которых кабели присоединяются к оборудованию. В компьютерных сетях применяются кабели, удовлетворяющие определенным стандартам, что позволяет строить кабельную систему сети из кабелей и соединительных устройств разных производителей.

В стандарте оговариваются электрические, оптические и механические характеристики, которым должен удовлетворять тот или иной тип кабеля или соединительного изделия - разъема, кроссовой коробки и т. п. Однако для какого протокола предназначен данный кабель, стандарт не оговаривает.

В стандартах кабелей оговаривается достаточно много характеристик, из которых наиболее важные:

· Затухание (Attenuation). Затухание измеряется в децибелах на метр для определенной частоты или диапазона частот сигнала;

· Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk, NEXT). Измеряются в децибелах для определенной частоты сигнала;

· Импеданс (волновое сопротивление) - это полное (активное и реактивное) сопротивление в электрической цепи. Импеданс измеряется в Омах и является относительно постоянной величиной для кабельных систем. Для неэкранированной витой пары наиболее часто используемые значения импеданса - 100 и 120 Ом. В области высоких частот (100-200 МГц) импеданс зависит от частоты;

· Активное сопротивление - это сопротивление постоянному току в электрической цепи. В отличие от импеданса активное сопротивление не зависит от частоты и возрастает с увеличением длины кабеля;

· Емкость - это свойство металлических проводников накапливать энергию. Два электрических проводника в кабеле, разделенные диэлектриком, представляют собой конденсатор, способный накапливать заряд. Емкость является нежелательной величиной, так как высокое значение емкости в кабеле приводит к искажению сигнала и ограничивает полосу пропускания линии;

· Уровень внешнего электромагнитного излучения или электрический шум. Электрический шум - это нежелательное переменное напряжение в проводнике. Электрический шум бывает двух типов: фоновый и импульсный. Электрический шум можно также разделить на низко-, средне- и высокочастотный. Источниками фонового электрического шума в диапазоне до 150 кГц являются линии электропередачи, телефоны и лампы дневного света; в диапазоне от 150 кГц до 20 МГц - компьютеры, принтеры, ксероксы; в диапазоне от 20 МГц до 1 ГГц - телевизионные и радиопередатчики, микроволновые печи. Основными источниками импульсного электрического шума являются моторы, переключатели и сварочные агрегаты. Электрический шум измеряется в милливольтах;

· Диаметр или площадь сечения проводника. В европейских и международных стандартах диаметр проводника указывается в миллиметрах.

Основное внимание в современных стандартах уделяется кабелям на основе витой пары и волоконно-оптическим кабелям. Именно эти типы кабелей используются в технологии Fast Ethernet. Наиболее удобными и распространенными являются кабели на основе витой пары.

3.2.3 Кабели на основе неэкранированной витой пары

Медный неэкранированный кабель UTP в зависимости от электрических и механических характеристик разделяется на 5 категорий (Category I - Category 5).

Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных.

Кабели категории 2 способны передавать сигналы со спектром до 1 МГц. Кабели категории 3 были стандартизованы в 1991 году, когда были определены электрические характеристики кабелей категории 3 для частот в диапазоне до 16 МГц, поддерживающих, таким образом, высокоскоростные сетевые приложения. Кабель категории 3 предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса. Шаг скрутки проводов равен примерно 3 витка на 1 фут (30,5 см).

Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3. Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. На практике используются редко.

Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Поэтому их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство новых высокоскоростных стандартов ориентируются на использование витой пары 5 категории. На этом кабеле работают протоколы со скоростью передачи данных 100 Мбит/с -Fast Ethernet, а также более скоростной протокол - Gigabit Ethernet на скорости 1000 Мбит/с.

Наиболее важные электромагнитные характеристики кабеля категории 5 имеют следующие значения:

· в полное волновое сопротивление в диапазоне частот до 100 МГц равно 100 Ом (стандарт ISO 11801 допускает также кабель с волновым сопротивлением 120 Ом);

· величина перекрестных наводок NEXT в зависимости от частоты сигнала должна принимать значения не менее 74 дБ на частоте 150 кГц и не менее 32 дБ на частоте 100 МГц;

· затухание имеет предельные значения от 0,8 дБ (на частоте 64 кГц) до 22 дБ (на частоте 100 МГц);

· активное сопротивление не должно превышать 9,4 Ом на 100 м; емкость кабеля не должна превышать 5,6 нф на 100 м.

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а две - для передачи голоса. Для соединения кабелей с оборудованием используются вилки и розетки RJ-45, представляющие 8-контактные разъемы, похожие на обычные телефонные разъемы RJ-11.

Особое место занимают кабели категорий 6 и 7. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 200 МГц, а для кабелей категории 7 - до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем как каждая пара, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным. Основное назначение этих кабелей - поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель UTP категории 5. [2]

Технологии локальных сетей Ethernet и Fast Ethernet достаточно хорошо и подробно изучены. На эту тему существует множество изданий известных авторов, в которых описываются все нюансы данных протоколов. Поэтому далее в этой главе будет рассматриваться технология построения беспроводных локальных сетей.

Локальные беспроводные сети стандарта 802.11 получают все большее распространение в основном благодаря тому, что они просты в развертывании и удобны в эксплуатации. С точки зрения пользователя их функции и характеристики точно такие же, как и у локальных сетей стандарта Ethernet. Но архитектура 802.11 намного сложнее. Проблемы, которые приходится решать в неконтролируемой радиосреде, сложнее, чем в контролируемой проводной среде Ethernet.

Подуровень MAC стандарта 802.11 должен управлять механизмом, обеспечивающим беспрепятственный доступ к среде передачи. Станции стандарта 802.11 не обладают способностью обнаруживать коллизии, как это делают Ethernet-станции, осуществляющие множественный доступ к сети с контролем несущей и обнаружением коллизий. Вследствие этого для доступа к среде необходим более сложный и масштабируемый подуровень MAC при минимальных дополнительных издержках.

3.3 Обзор топологий беспроводных сетей Wi-Fi

Сети стандарта 802.11 могут строиться по любой из следующих топологий:

· Независимые базовые зоны обслуживания (Independent Basic Service Sets, IBSSs);

· Базовые зоны обслуживания (Basic Service Sets, BSSs);

· Расширенные зоны обслуживания (Extended Service Sets, ESSs).

Зона обслуживания (Service Set) в данном случае - это логически сгруппированные устройства.

3.3.1 Независимые базовые зоны обслуживания (IBSS)

IBSS представляет собой группу работающих в соответствии со стандартом 802.11 станций, связывающихся непосредственно одна с другой. IBSS также называют специальной Ad-Hoc сетью, потому что она по сути представляет собой простую одноранговую WLAN. На рис. 40 показано, как станции, оборудованные беспроводными сетевыми интерфейсными картами (network interface card, NIC) стандарта 802.11, могут формировать IBSS и напрямую связываться одна с другой.

Рисунок 40. Ad-Hoc сеть (IBSS)

Специальная сеть, или независимая базовая зона обслуживания (IBSS), возникает, когда отдельные устройства-клиенты формируют самоподдерживающуюся сеть без использования отдельной точки доступа (AP - Access Point). При создании таких сетей не разрабатывают какие-либо карты места их развертывания и предварительные планы, поэтому они обычно невелики и имеют ограниченную протяженность, достаточную для передачи совместно используемых данных при возникновении такой необходимости.

Клиенты непосредственно устанавливают соединения друг с другом, в результате чего создается только одна базовая зона обслуживания (BSS), не имеющая интерфейса для подключения к локальной проводной сети, т.е. отсутствует какая-либо распределительная система, которая необходима для объединения BSS и организации, таким образом, ESS. Не существует каких-либо оговоренных стандартом ограничений на количество устройств, которые могут входить в одну независимую базовую зону обслуживания.

Поскольку в IBSS отсутствует точка доступа, распределение времени (timing) осуществляется нецентрализованно. Клиент, начинающий передачу в IBSS, задает сигнальный (маячковый) интервал (beacon interval) для создания набора моментов времени передачи маячкового сигнала (set of target beacon transmission time, TBTT). Когда завершается ТВТТ, каждый клиент IBSS выполняет следующее:

· Приостанавливает все несработавшие таймеры задержки (backoff timer) из предыдущего ТВТТ;

· Определяет новую случайную задержку;

· Если маячковый сигнал поступает до окончания случайной задержки, возобновляет работу приостановленных таймеров задержки. Если никакой маячковый сигнал не поступает до окончания случайной задержки, посылает маячковый сигнал и возобновляет работу приостановленных таймеров задержки.

В маячковые сигналы встроена функция синхронизации таймера (timer synchronization function, TSF). Каждый клиент сравнивает TSF в маячковом сигнале со своим собственным таймером и, если полученное значение больше, считает, что часы передающей станции идут быстрее и подстраивает свой собственный таймер в соответствии с полученным значением.

3.3.2 Базовые зоны обслуживания (BSS)

BSS - это группа работающих по стандарту 802.11 станций, связывающихся одна с другой. Технология BSS предполагает наличие особой станции, которая называется точка доступа AP (Access Point). Точка доступа - это центральный пункт связи для всех станций BSS. Клиентские станции не связываются непосредственно одна с другой. Вместо этого они связываются с точкой доступа, а уже она направляет кадры к станции-адресату.