Беспроводные сети: множественный доступ к среде

Возможностей для построения беспроводных сетей у hAP AC ощутимо больше, чем нужно рядовым пользователям; их неплохо бы изучить. Но начать хочется с теории. Эта глава о принципах организации беспроводных сетей. Первые два уровня модели OSI, принципы раздельного доступа к среде.

Wi-Fi — отстойная технология. Она похожа на движущийся вагон метро, в котором одиннадцать человек громко о чем-то спорят, а вы пытаетесь ответить на звонок. Именно так в радиодиапазоне выглядит подъезд типового многоквартирного дома.

Вам может быть знакома аббревиатура OSI1. Это набор принципов, по которым взаимодействуют электронные устройства. Почти вся гражданская электроника и программное обеспечение им следуют.

У OSI семь уровней, нас интересуют два «нижних». На первом — физическом, — сетевое устройство работает со средой передачи данных. Это может быть «витая пара» или оптическое волокно, оптическая среда вне волокна тоже сгодится (работают же до сих пор ИК-пульты дистанционного управления), а радиоволны — и подавно (принцип передачи битовой информации тот же). Давайте попробуем изобрести Wi-Fi.

Прежде всего, нужно выбрать диапазон частот, в котором и будет происходить коммуникация; подходящих немного и все они весьма ограничены по «ширине» (а именно ею во многом определяется пропускная способность).

Во многих странах власти выделили для гражданского использования диапазон с 2400 до 2483.5 МГц (особо не повезло французам — с 2457 до 2472 МГц). Будем считать, что у нас в распоряжении 83 полных мегагерца — это весьма недурно. Простейшая квадратурная амплитудная модуляция QAM2 позволит передавать данные с реальной скоростью более ста мегабит в секунду.

Но давайте представим, что сейчас конец 90-х годов и пропускная способность — не важнейший критерий; скорость нарастим как-нибудь потом. Гораздо важнее обеспечить множественный доступ к среде; другими словами, дать возможность сотням устройств работать одновременно.

У сотовых операторов есть проверенное временем решение. Суть работы их сетей заключается в установке базовых станций, обслуживающих определенную территорию. Подход позволяет использовать выделенный частотный диапазон многократно.

Однако, Wi-Fi сложно назвать инфраструктурной технологией; строгие требования относительно чистоты радиоэфира неприменимы для большого числа находящихся рядом потребительских устройств.

Принципы разделения доступа к среде

FDMA

Классикой техник множественного доступа к среде можно назвать FDMA3 — множественный доступ с частотным разделением; именно так работает классическая радиосвязь, теле- и радиовещание. Идея очевидная: некой станции выделяется определенная частота, которую не должна использовать никакая другая станция.

TDMA

Для первого поколения GSM, российские власти выделили два весьма скромных диапазона в районе 900 МГц. В первом (с 890 до 915) ведется передача, во втором (с 935 до 960) — прием. Операторы разделили диапазон на полосы по 200 КГц (получилось 124 так называемых канала), а также установили цену за время их использования. Посекундную тарификацию вспоминаете?

Такой подход назвали TDMA4 — множественный доступ с временным разделением (аренда полосы целиком или большей ее части на выделенный отрезок времени).

CDMA

Существует принципиально иной подход — множественный доступ с кодовым разделением, CDMA5, в котором каждому абоненту доступна вся частотная полоса и все время. Разделение происходит путем модуляции сигнала индивидуальным кодом станции. Приемник, зная код передатчика, может извлечь из шумоподобного эфира предназначенную ему часть.

CSMA

Вернемся к компьютерным сетям. Перед попыткой передачи сообщения станция оценивает чистоту эфира — слушает несущую; когда ее нет, считается, что среда свободна для передачи. Этакий разговор вежливых людей в темной комнате. Но что, если две станции начали передачу одновременно (возникла коллизия)?

CSMA/CD

Принцип определения коллизий CSMA/CD6 используется в протоколе IEEE 802.3. Когда станция обнаруживает два перекрывающихся сигнала, коммуникация прерывается путем генерации в эфире преднамеренной помехи. Конфликтующие передатчики «замолкают» чтобы через случайный для каждого промежуток времени повторить попытку.

CSMA/CA

Из-за особенностей работы беспроводных сетей обнаружение коллизий практически невозможно. В 802.11 применяется принцип избегания коллизий CSMA/CA7. Для начала станция посылает в эфир так называемый jam-сигнал и, в случае отсутствия других желающих занять частоту, выполняет передачу.

Итоги

802.11 применяет едва ли не все вышеперечисленные принципы. Это и частотное разделение, и временное разделение, и контроль несущей, и избегание коллизий.