Информационные сети и системы

Если возникает конфликт вследствие того, что два узла сети пытаются одновременно занять канал, то обнаружившая конфликт АС (интерфейсная плата соответствующей АС) выдает в сеть специальный сигнал (сигнал «пробки»), и обе станции временно прекращают передачу. Принимающая станция, как правило, отбрасывает частично уже принятое сообщение. Все рабочие станции в сети, которые хотят передавать данные, в течение некоторого случайно выбранного промежутка времени выжидают, прежде чем начать передачу. Все сетевые интерфейсные платы запрограммированы на разные псевдослучайные промежутки времени. Если конфликт возникнет во время попытки повторной передачи сообщения, этот промежуток времени будет увеличен.

В сетях Ethernet конфликты неизбежны, так как между моментом, когда рабочая станция проверяет, свободна ли сеть и моментом начала фактической передачи проходит некоторое время. Вполне возможно, что в течение указанного времени какая-нибудь станция в сети начнет передачу, но сообщение об этом не успеет достичь пункта своего назначения. Хотя для сетей данного типа конфликты неизбежны, благодаря высокой скорости передачи (10 Мбит/с и более) даже при повторных конфликтах пользователи могут не ощущать заметного уменьшения скорости. Если же число конфликтов в сети становится настолько большим, что это сказывается на ее работе, то необходимо серьезное администрирование данного фрагмента сети, а возможно и его реконфигурация.

В соответствии со стандартом максимальный размер кадра в сети Ethernet составляет 1526 байт (12 208 бит), а минимальный — 72 байт (576 бит). При частоте передачи 10 МГц время передачи пакета минимальной длины составляет 57,6 мс. Это время несколько больше, чем удвоенное время распространения сигнала между крайними точками кабеля, равное 51,2 мс. Последняя цифра получена исходя из максимально допустимого в Ethernet расстояния между узлами равного 2500 м.

Максимальное значение скорости устойчивой передачи для метода CSMA/CD определяется в соответствии с соотношением:

S = (1+6,2*а) – 1, а = t*C/L,

где: t – время распространения (включая время приема) в секундах, С – скорость передачи данных в моноканале и L – средняя длина пакета.

Как видно из формулы, эффективность метода CSMA/CD определяется длиной моноканала, скоростью передачи данных и минимальной длиной пакета данных.

Диаграмма состояний, иллюстрирующая операции, выполняемые в соответствии с методом CSMA/CD на уровне звена данных, представлена на рис. 1.7.

Большую часть времени уровень звена данных «прослушивает» канала связи. В этом состоянии анализируются все кадры, передаваемые физическим уровнем. Если заголовок кадра содержит адрес, совпадающий с адресом узла (адресом данной АС), уровень звена данных переходит в состояние приема и завершает прием всего кадра (пакета). После завершения приема кадр передается на вышестоящий (сетевой) уровень, а уровень звена данных опять возвращается в состояние «прослушивания» канала. Передача кадра в канал осуществляется только по запросу сетевого уровня. Когда выдается такой запрос, а узел не находится в состоянии приема, уровень звена данных переходит в состояние ожидания. В этом состоянии узел ждет, когда освободится канал. После освобождения канала начинается передача пакета. Если передача завершается успешно (без конфликта), узел опять переходит в состояние прослушивания канала. Если во время передачи кадра возникает конфликт, передача прерывается и повторяется вновь через случайное время ожидания. При этом узел переходит в состояние задержки. В этом состоянии он находится некоторое время и потом опять переходит в состояние ожидания.

 

Рис. 1.7. Алгоритм CSMA/CD

 

 1.5.4. Пример формата кадра Ethernet

Технология Ethernet относится ко второму (канальному) уровню эталонной модели взаимосвязи открытых систем. Протокольным блоком данных этого уровня является кадр. Кадры Ethernet бывают четырех различных форматов, среди которых наиболее часто используется формат Ethernet II (или Ethernet DIX; DIX – это сокращение от названий трех компаний – DEC, Intel, Xerox, – вместе разработавших спецификации стандарта Ethernet DIX), приведенный на рис. 1.8.

 

(7 байт)	(1 байт)	(6 байт)		(6 байт)	(2 байта)	(46 - 1500 байт)			(4 байта)
Преамбула 1010 …..1010	SFD 10101011	Адрес назначения (Destination)		Адрес источника (Source)	Тип протокола  (Protocol Type)	Данные		Контрольная последовательность кадра (FCS)
			Заголовок						Концевик

Рис. 1. 8.  Формат кадра Ethernet II (DIX)

 

Поле преамбула представляет собой последовательность из 7 байт 10101010 и служит для тактовой синхронизации приемника.

Поле SFD, Start of Frame Delimiter – начальный ограничитель кадра. Выполняет функцию флага для цикловой синхронизации приемника. Получив этот байт, приемник понимает, что следующим байтом будет первый байт заголовка кадра.

Адрес назначения и адрес источника – это адреса подуровня управления доступом к среде (MAC, Media Access Control) канального уровня структуры стандартов IEEE 802.x, или MAC-адреса. Для простоты эти адреса можно считать адресами канального уровня, т.к., например, в наиболее часто используемом формате кадра Ethernet II (DIX) поле подуровня управления логическим каналом (LLC, Logical Link Control) отсутствует. MAC-адреса называются также локальными, аппаратными или физическими адресами. В отличие от MAC-адресов, IP-адреса являются логическими и называются также сетевыми или протокольными адресами. Фактически, MAC-адрес – это адрес сетевой платы хоста, записанный ее производителем в ПЗУ. Он состоит из 48 разрядов. Первые 24 разряда являются уникальным идентификатором организации (OUI, Organizationally Unique Identifier), назначаемым Комитетом IEEE каждому производителю оборудования, вторые 24 разряда назначаются самим производителем каждой изготовленной им плате. Например, для компании Cisco Комитет IEEE назначил OUI 00 60 2F (в шестнадцатеричной форме). Таким образом, в старших 24 разрядах MAC-адреса всех сетевых плат, произведенных компанией Cisco, будет двоичная комбинация 0000 0000 0110 0000 0010 1111.

В поле тип протокола указывается идентификатор протокола вышележащего уровня, вложившего свой пакет в поле данных кадра. Как было упомянуто выше, кадр – это протокольный блок данных канального уровня. Вышележащим по отношению к канальному является сетевой уровень. Примеры протоколов сетевого уровня – IP, IPX. Например, если в поле данных кадра вложен пакет IP, то значение поля тип протокола в шестнадцатеричной форме – 0800, что идентифицирует протокол IP.

В поле данные вкладывается протокольный блок данных вышележащего уровня, например, пакет IP. Для обеспечения надежного распознавания коллизий длина поля данных не должна быть меньше 46 байт. Если в поле данных вкладывается пакет длиной менее 46 байт, поле данных дополняется до 46 байт нулями или единицами.

Контрольная последовательность кадра (FCS, Frame Check Sequence) – это 32 бита циклического избыточного кода для обнаружения ошибок. Контрольная последовательность кадра, вычисляется на основе содержимого заголовка и данных (вместе с заполнителем, но без учета преамбулы и ограничителя) с помощью 32-разрядного циклического избыточного кода (Cyclic Redundancy Code – CRC) с порождающим полиномом:

x32 +x26 +x23 +x22 +x16 +x12 +x11 +x10 +x8 +x7 +x5 +x4 +x2 +x +1.

 

 

1.6. Технологии  и архитектура современных беспроводных сетей

 

1.6.1. Классификация беспроводных сетей передачи информации

 

В настоящее время особенно бурно развивается такая отрасль телекоммуникационной индустрии оборудования и услуг как беспроводные сети передачи информации (БСПИ). На рынке предлагается довольно широкий спектр оборудования беспроводного доступа, в номенклатуре и назначении которого непосвященному пользователю разобраться не так уж и легко, – от простейшего оборудования для организации локального беспроводного интерфейса (Bluetooth, Home RF, UWB) до оборудования для доступа в глобальные сети и  построения беспроводных компьютерных сетей (Wi-Fi, WiMAX, DECT, GSM). В целом существуют три основных направления применения беспроводных сетей — работа в замкнутом объеме (офис, выставочный зал и т. п.), соединение удаленных локальных сетей (или удаленных сегментов локальной сети) и построение территориально распределенных беспроводных сетей передачи информации. Для соединения удаленных локальных сетей (или сильно распределенных в пространстве сегментов локальной сети) может использоваться оборудование с направленными антеннами, специальные усилители, большая высота размещения антенн (рис.1.9).

Рис.1.9

Чтобы разобраться во всем множестве беспроводных технологий для начала выполним классификацию существующих стандартов и соответствующих им технологий. В настоящее время сформированы устоявшиеся признаки, позволяющие выделить наиболее характерные классы современных беспроводных технологий. Остановимся на наиболее популярных способах их ранжирования. Обычно БСПИ подразделяют:

• по способу обработки и передачи информации – на цифровые и аналоговые;
• по ширине полосы передачи – на узкополосные, широкополосные и сверхширокополосные;
• по мобильности абонентов – на фиксированные, мобильные и подвижные;
• по географической протяженности – на персональные, локальные, городские и глобальные;
• по виду передаваемой информации – на системы передачи речи, видеоинформации и данных.

К цифровым обычно относят системы, у которых входная аналоговая информация, (например, голос, аналоговый видео сигнал и т.п.) первоначально преобразуется в цифровую (дискретную) форму и обрабатывается (функции фильтрации, скремблирования, коммутации) преимущественно цифровыми методами.

Для строгого определения широкополосных и узкополосных систем строгих критериев нет. Чаще всего полагают, что если ширина спектральной полосы F, в которой работает система, много меньше, центральной частоты этой полосы fc, то система узкополосная

(т.е. F/fc < 1). В противном случае – система широкополосная.

Подразделение на мобильные и подвижные системы состоит в следующем. Следует различать собственно возможность поддержания связи в движении (подвижность) абонентов, предоставляемую технологией, и возможность без дополнительных настроек получать доступ к фиксированной сети в любой ее точке (мобильность). С технической точки зрения, ограничивать подвижность и мобильность может чувствительность технологии связи к скорости движения абонента, сложность перехода из одной зоны обслуживания в сопредельную без разрыва связи, восприимчивость к кратковременным пропаданиям связи и т.п.

По размеру зоны обслуживания (географической протяженности) БСПИ подразделяются на:

1. Беспроводные персональные сети (WPAN – wireless personal area network) – сети с радиусом действия от сантиметров до нескольких метров (до 10 - 15 м). Они служат, в основном, для замены интерфейсных кабелей подключаемого к компьютеру периферийного оборудования. Мощность излучения передатчиков таких интерфейсных устройств, как правило, не превышает 10 мВт. Примерами построения беспроводных персональных сетей являются сети на основе технологий IEEE 802.15.1 (Bluetooth), Home RF, IEEE 802.15.4 (ZigBee) и др.
2. Беспроводные локальные сети (WLAN — wireless local area network) подразумевают взаимную удаленность устройств на расстоянии до сотен метров и мощности передатчиков до 100 мВт. Это сети, предназначенные для объединения устройств в пределах локальной зоны (здания, группы зданий). На основе стандартов локальных беспроводных сетей вполне успешно строят и сети городского масштаба. Примерами построения беспроводных локальных сетей являются сети на основе технологий DECT и IEЕЕ 802.11 (Wi-Fi).
3. Беспроводные городские сети (WMAN – Wireless Metropolitan Area Network) – беспроводные сети для организации связи в масштабах города. Являются логичным развитием WLAN, обеспечивают более высокие скорости передачи данных и более широкую область покрытия. Как правило, такие сети предназначены для обеспечения беспроводной связи между домами, а также как альтернатива традиционным проводным сетям. К сетям городского масштаба (региональным) можно отнести множество сетей использующих различные технологии – это и наземное теле- и радиовещание, сотовая связь, транковые системы. Недавно появилось семейство стандартов на широкополосные беспроводные сети городского масштаба IEEE 802.16 и IEEE 802.20. Аналогично Wi-Fi, эта технология также имеет свое коммерческое название — WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), поддержкой которого занимается ассоциация WiMAX Forum.
4. Беспроводные глобальные сети WWAN. Глобальные беспроводные сети передачи информации представлены в основном спутниковыми системами связи. Однако с учетом того, что, например, практически все сети сотовой связи, так или иначе, связаны друг с другом, и все они разрабатываются с учетом возможности взаимодействия, можно (с некоторой натяжкой) говорить и о глобальных сотовых сетях.

Особой градацией является подразделение беспроводных систем в зависимости от типа передаваемой информации, например, на системы передачи речи (или видеоинформации) и несинхронных данных. С одной стороны, речь – это один из видов информации. Однако после оцифровки поток речевых данных по виду не отличим от потока любой другой цифровой информации. С другой стороны, потребность в информации разного вида уже сделала реальной интеграцию различных информационных сетей (телефония, телевидение, сети передачи цифровых данных, телеметрия) даже на бытовом уровне. По единому цифровому каналу передается информация самой различной природы. Вполне очевидно, что недалек тот день, когда вся речевая и видеоинформация будет обрабатываться и передаваться исключительно цифровыми методами. Это в полной мере относится и к БСПИ, которые обеспечивают достаточную пропускную способность для передачи различных видов информации в цифровом виде в едином потоке.

Соотношение и основные технические характеристики вышеперечисленных технологий представлены на рис.1.10 и в табл. 1.1.

Рис. 1.10. Классификация технологий беспроводных СПИ

 

 

Характеристики технологий беспроводных систем передачи информации                        Таблица 1.1

WPAN
IEEE 802.15.1 (Bluetooth),	64 Кб/с-1 Мб/с	10-100 м
Home RF	1(2) Мб/с – 10(20) Мб/с	До 50 м
IEEE 802.15.3	11, 22, 33, 44, 55 Мб/с	До 10 м
IEEE 802.15.4 (ZigBee),	20, 40, 250 Кб/с	До 10 м
IEEE 802.15.3a (UWB)	100 Мб/с – 1,3 Гб/с	5-10 м
WLAN
IEEE 802.11	1-2 Мб/с	300 м
IEEE 802.11a	6, 12, 24 (9, 18, 36, 48, 54) Мб/с	100 м
IEEE 802.11b	2, 5 – 11 Мб/с (до 33 Мб/с)	100 м
IEEE 802.11g	11 – 54 Мб/с	100 м
IEEE 802.11n	Более 160 Мб/с	100 м
DECT	70 Кб/с	30-70 м (в помещении), 100-400 м (на местности)
WMAN
IEEE 802.11.16 2004 (WiMax)	30-40 Мб/с (до 70Мб/с)	2,5-5 км (подвижные абоненты (до 15 км/ч)) 40-50 км (стационарные абоненты)
IEEE 802.11.16e (WiMax)	До 15 Мб/с	2-7 км
IEEE 802.11.16f(h) (WiMax) - перспективные	До 10 Тб/с	Поддержка мобильность (до 300 км/ч)
WWAN
IEEE 802.20 (WiMax)	Более 1 Мб/с	Поддержка мобильность и сотовой структуры
GSM	9,6 Кб/с	Сота до 35 км
CDMA	14,4 Кб/с	Сота до 20 км
IMT-2000	2 Мб/с (для  малоподвижных абонентов) 384 Кб/с (для  мобильных  абонентов)	Сота 20-40 км