Распределенный режима доступа DCF

Уровень МАС 802.11

Уровень MAC 802.11 похож на МАС стандарта 802.3 Ethernet, который также поддерживает метод случайного доступа к общей разделяемой среде. Однако, в беспроводных сетях уровень МАС выполняет больше функций, чем в проводных. Эти функции включают:

доступ к разделяемой среде передачи данных;

обеспечение мобильности станций при наличии нескольких точек доступа;

обеспечение безопасности при передаче данных.

В сетях 802.11 предусмотрено два режима доступа к разделяемой среде: распределенный режим DCF (Distributed Coordination Function) и централизованный режим PCF (Point Coordination Function).

Для Ethernet сетей 802.3 используется алгоритм CSMA/CD, который определяет, как станции Ethernet проверяют среду перед доступом к ней, и как они обнаруживают и обрабатывают коллизии, возникающие в том случае, если несколько устройств пытаются одновременно установить связь по сети. Чтобы обнаружить коллизию, станция должна обладать способностью и принимать, и передавать одновременно. Стандарт 802.11 предусматривает использование полудуплексных приёмопередатчиков, так как собственный передатчик заглушает принимаемый сигнал. Поэтому в беспроводных сетях 802.11 станция не может обнаружить коллизию во время передачи, а стремится предотвратить ее. Поэтому распределенный режим 802.11 использует модифицированный алгоритм, который называется CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) или метод коллективного доступа с предотвращением коллизий.

Во первых, CSMA/CA косвенно обнаруживает коллизию с помощью явного подтверждения пакета (ACK), что означает, что принимающая станция посылает ACK пакет для подтверждения того, что пакет получен неповреждённым. Если передающая станция не получила в течении тайм –аута квитанцию (пакет ACK), она считает, что произошла коллизия, и будет передавать этот пакет данных снова в следующем цикле доступа.

Во вторых, CSMA/CA пытается уменьшить вероятность коллизий.

Станция, желающая передать кадр данных, прослушивает среду, и с момента ее освобождения ожидает стандартную межкадровую паузу, а затем, если среда еще свободна, начинает отсчитывать тайм слоты фиксированной длины. Кадр можно начать передавать только в начале тайм слота. Номер слота L для передачи выбирается случайным образом из интервала[0, СW] (СW-Contention Window). В начале каждого слота станция проверяет среду. Если во всех L слотах (например, пяти) среда будет свободна, станция начинает передачу. Если же в начале очередного слота (например, третьего) среда окажется занятой, то станция начнет процедуру доступа заново, но теперь в качестве L выберет то число слотов, которое ей осталось ожидать в прошлом цикле доступа (в нашем примере L=5-2=3). То есть в каждом следующем цикле время ожидания доступа сокращается.

Размер слота зависит от способа кодирования сигнала, и выбирается таким образом, чтобы он был больше времени распространения сигнала между любыми двумя станциями сети плюс время, необходимое станции на проверку занятости среды. С помощью введения тайм слотов исключаются ситуации, часто возникающие в 802.3 Ethernet, когда коллизия происходит потому, что одна станция начала передачу, а до другой он еще не дошел, и она считает среду свободной. В методе CSMA/CA коллизия может произойти только тогда, когда несколько станций случайно выберут одинаковый номер тайм слота для передачи.

Если переданный кадр попал в коллизию, отправитель не получит на него квитанцию и попытается передать кадр снова. При каждой повторной попытке передачи одного и того же кадра интервал, из которого выбирается номер слота, увеличивается вдвое, а после N (в стандарте не фиксировано) неудачных попыток передача прекращается.

Для определения того, является ли канал свободным, используется алгоритм оценки чистоты канала (Channel Clearance Algorithm, CCA). Его суть заключается в измерении энергии сигнала на антенне и определения мощности принятого сигнала. Если мощность принятого сигнала ниже определённого порога, то канал объявляется свободным.

Таким образом, CSMA/CA предоставляет способ разделения доступа по радиоканалу. Механизм явного подтверждения эффективно решает проблемы помех. Однако он добавляет некоторые дополнительные накладные расходы, которых нет в 802.3, поэтому сети 802.11 будут всегда работать медленнее, чем эквивалентные им Ethernet локальные сети.

Другая специфичная проблема MAC-уровня – это проблема "скрытой точки", когда обе станции могут "слышать" точку доступа, но не могут "слышать" друг друга (рис.4.28), или "скрытого терминала", когда две станции могут "слышать" друг друга, но есть третья станция, которая может слышать только одну из них в силу большого расстояния или преград.

Рис. 4.28. Иллюстрация проблемы "скрытой точки".

Для решения этой проблемы в 802.11 на MAC уровне добавлен необязательный протокол RTS/CTS (Request to Send/Clear to Send). Когда используется этот метод, посылающая станция, начиная передачу кадра в определенном слоте, вместо кадра данных сначала передаёт станции-получателю короткий кадр запроса RTS и ждёт от нее ответа с кадром CTS - подтверждения готовности приема. После чего станция -отправитель посылает кадр данных. Кадр CTS должен оповестить о захвате среды те станции, которые находятся вне зоны сигнала станции- отправителя (скрытые терминалы), но в зоне досягаемости станции – получателя. Это позволяет передающей станции передать данные и получить ACK пакет без возможности коллизий. Тот же результат достигается и тогда, когда станции взаимодействуют через точку доступа (рис.4.), которую «слышат» все терминалы.

Так как протокол RTS/CTS, временно резервируя среду, несколько замедляет обмен данными в сети, он обычно используется только для пакетов очень большого объёма, для которых повторная передача была бы слишком дорогостоящей, или при большой загруженности сети, когда вероятность возникновения коллизий возрастает.