Вы нашли то, что искали?
Главная Разделы

Добавить страницу в закладки ->

11. Построение отдельных сетей на канальном уровне модели OSI. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

11. Построение отдельных сетей на канальном уровне модели OSI

11.1. Общая характеристика протоколов канального уровня

11.2. Понятие топологии сети

11.3. Сети Х.25

11.4. Сети Frame Relay

11.5. Сети Token Ring

11.6. Сети FDDI

11.7. Сети Ethernet

11.7.1. Общий обзор технологии Ethernet

11.7.2. Технология случайного множественного доступа CSMA

11.7.3. Стандарты технологии Ethernet

11.8. Беспроводные сети

11.8.1. Технология WiFi

11.8.2. Технология WiMax



11.1. Общая характеристика протоколов канального уровня

Канальный уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные он упаковывает во фреймы, проверяет на целостность, если нужно исправляет ошибки (посылает повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями (обеспечивая передачу по нескольким различным физическим следам), контролируя и управляя этим взаимодействием.

Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на 2 подуровня:

-       MAC (Media Access Control) регулирует доступ к разделяемой физической среде,

-       LLC (Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня. На этом уровне работают коммутаторы, мосты.

В программировании канальный уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой, это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС.

Так, как канальный уровень позволяет передавать данные в рамках одной топологии, необходимо ввести данное понятие. Термин "топология сети" относится к пути, по которому данные перемещаются  по  сети.



11.2. Понятие топологии сети

Для описания связей абонентов в сети используется понятие топология,  под которой принято  считать совокупность элементов и связей между ними, «очищенных» от всех свойств, кроме свойств существования и связности.

Обычно топология задается графом G(A, N), где А - множество вершин графа, т.е. элементов сети (пользователи, узлы, центры коммутации и т. п.), а N − множество его ребер, соответствующих линиям связи. Каждое ребро имеет длину, которая эквивалентна некоторым параметрам его использования, например, ее геометрической длине, пропускной способности, общей загрузке и т.п. в случае, когда учитываются направления ребер задается ориентированный граф (орграф).

Пример геометрического представления орграфа показан на рис. 11.1.

Рисунок 11.1 - Орграф

Существуют три основных вида структур (топологий) сетей передачи данных (СПД).

1. Полносвязная сеть - узлы соединены линиями (каналами) по принципу «каждый с каждым» (рис. 11.2).

Полносвязная топология на практике при большом количестве абонентских терминалов практически не используется из-за необходимости организации значительного числа каналов и низкой эффективности их использования, так как большую часть времени каналы простаивают. Тем не мене следует отметить, что такая сеть проста в управлении, обладает высокой живучестью, своевременностью, пропускной способностью.

2. Древовидная сеть - узлы соединяются между собой минимальным числом линий (каналов) без образования замкнутых путей. Между любыми двумя узлами только один путь (рис. 11.3).

Рисунок 11.2 - Полносвязная структура сети

Рисунок 11.3 - Древовидная структура сети

В большинстве случаев сетью управляет узел на самом высоком уровне иерархии. Однако практический интерес, представляет распределенный подход к иерархической сети, при котором в системе подчиненных узлов определяются такие, которые обеспечивают непосредственное управление устройствами, находящимися ниже в иерархии.

Древовидная структура может иметь ряд частных случаев (рис. 11.4):

а) линейная,

б) звездообразная,

в) радиальная,

г) радиально-узловая.

а) линейная

б) звездообразная

   

в) радиальная

г) радиально-узловая

Рисунок 11.4 - Частные случаи древовидной структуры сети

Топология «звезда» - одна из наиболее распространенных. В сетях с такой топологией вся информационная нагрузка исходит из центрального узла, который полностью управляет устройствами, подсоединенными к нему. Центральный узел отвечает за маршрутизацию трафика через себя в другие компоненты. Он также отвечает за локализацию неисправности, которая является относительно простой в звездообразной сети, поскольку решение проблемы обусловлено возможностью локализации линии. Подобно иерархической структуре, звездообразная сеть также подвержена проблемам, связанным с наличием одного центрального узла.

3. Структура типа «сетка» - каждый узел соединен с несколькими ближайшими узлами так, что образуются замкнутые пути (рис. 11.5).

Рисунок 11.5 - Структура сети типа «сетка»

Топология типа «сетка» нашла широкое применение. Ее привлекательность заключается в высокой надежности и относительной устойчивости к перегрузкам. Благодаря множественности путей трафик может быть направлен в обход отказавших или занятых узлов. Это достигается большей сложностью и дороговизной сети.

Частным случаем структуры типа «сетка» является:

а) кольцевая структура (рис. 11.6). При кольцевой топологии в большинстве случаев данные распространяются только в одном направлении, причем только одна станция принимает сигнал, а затем при необходимости передает его следующей станции в кольце.

Кольцевая топология привлекательна, т. к. перегрузки характерные для иерархической и звездообразной конфигураций, здесь достаточно редки. Так же следует отметить простоту организации кольцевой сети. Недостатком является то, что имеется только один канал, соединяющий все компоненты в кольцо. Если отказывает канал между двумя узлами, наступает отказ всей сети.

б) многоточечное подключение типа «общая шина»  - все абонентские терминалы подключаются к одному каналу связи. При этом канал связи используется поочередно одной из пар абонентских терминалов для обмена информацией между собой (рис. 11.7).

Данная структура нашла широкое распространение в локальных сетях. Это обусловлено относительно простым для управления трафиком, поскольку шина допускает, чтобы каждое сообщение принималось всеми станциями (одна единственная станция работает в широковещательном режиме на несколько станций).

Рисунок 11.6 - Кольцевая структура сети

Рисунок 11.7 - Многоточечное подключение типа «общая шина»

Рассмотрим различные типовые архитектуры канального уровня OSI соответствующие основным видам топологий.



11.3. Сети Х.25

X.25 — семейство протоколов канального уровня сетевой модели OSI. Оно предназначалось для организации глобальных сетей на основе телефонных сетей с линиями с достаточно высокой частотой ошибок, поэтому содержит развитые механизмы коррекции ошибок и ориентировано на работу с установлением соединений.

X.25 обеспечивает множество независимых виртуальных каналов (Permanent Virtual Circuits, PVC и Switched Virtual Circuits, SVC) в одной линии связи, идентифицируемых в X.25-сети по идентификаторам подключения к соединению идентификаторы логического канала (Logical Channel Identifyer, LCI) или номера логического канала (Logical Channel Number, LCN).

Сети Х.25 являются на сегодняшний день самыми распространенными сетями с коммутацией пакетов, используемыми для построения корпоративных сетей. Основная причина такой ситуации состоит в том, что долгое время сети Х.25 были единственными доступными сетями с коммутацией пакетов коммерческого типа, в которых давались гарантии коэффициента готовности сети. Сеть Internet также имеет долгую историю существования, но как коммерческая сеть она начала эксплуатироваться совсем недавно, поэтому для корпоративных пользователей выбора не было. Кроме того, сети Х.25 хорошо работают на ненадежных линиях благодаря протоколам с установлением соединения и коррекцией ошибок на двух уровнях - канальном и сетевом.

Технология сетей Х.25 имеет несколько существенных признаков, отличающих ее от других технологий.

-       Наличие в структуре сети специального устройства - PAD (Packet Assembler Disassembler), предназначенного для выполнения операции сборки нескольких низкоскоростных потоков байт от алфавитно-цифровых терминалов в пакеты, передаваемые по сети и направляемые компьютерам для обработки. Эти устройства имеют также русскоязычное название «Сборщик-разборщик пакетов», СРП.

-       Наличие трехуровневого стека протоколов с использованием на канальном и сетевом уровнях протоколов с установлением соединения, управляющих потоками данных и исправляющих ошибки.

-       Ориентация на однородные стеки транспортных протоколов во всех узлах сети - сетевой уровень рассчитан на работу только с одним протоколом канального уровня и не может подобно протоколу IP объединять разнородные сети. Сеть Х.25 состоит из коммутаторов (Switches, S), называемых также центрами коммутации пакетов (ЦКП), расположенных в различных географических точках и соединенных высокоскоростными выделенными каналами. Выделенные каналы могут быть как цифровыми, так и аналоговыми.



11.4. Сети Frame Relay

Frame relay (англ. «ретрансляция кадров», FR) — протокол канального уровня сетевой модели OSI. Служба коммутации пакетов Frame Relay в настоящее время широко распространена во всём мире. Максимальная скорость, допускаемая протоколом FR — 34.368 Мб/с (каналы E3). Коммутация: точка-точка. Топология: звезда.

Frame Relay был создан в начале 1990-х в качестве замены протоколу X.25 для быстрых надёжных каналов связи. В отличие от X.25, рассчитанного на линии с достаточно высокой частотой ошибок, FR изначально ориентировался на физические линии с низкой частотой ошибок.

Frame relay обеспечивает множество независимых виртуальных каналов (Virtual Circuits, VC) в одной линии связи, идентифицируемых в FR-сети по идентификаторам подключения к соединению (Data Link Connection Identifier, DLCI), но не имеет средств коррекции и восстановления. Вместо средств управления потоком включает функции извещения о перегрузках в сети. Возможно назначение минимальной гарантированной скорости для каждого виртуального канала.

Рисунок 11.8 - ARPA Fame Relay - сеть послужившая прототипом Internet



11.5. Сети Token Ring

Token ring — «маркерное кольцо», архитектура кольцевой сети с маркерным доступом. Тип сети, в которой все абоненты схематически объединены в кольцо. По кольцу от абонента к абоненту сети передается специальный блок данных, называемый маркером (от англ. token).

Сети с передачей маркера перемещают вдоль сети небольшой блок данных, называемый маркером. Владение этим маркером гарантирует право передачи. Если узел, принимающий маркер, не имеет информации для отправки, он просто переправляет маркер к следующей конечной станции. Каждая станция может удерживать маркер в течение определенного максимального времени. Информационный блок циркулирует по кольцу, пока не достигнет предполагаемой станции назначения, которая копирует информацию для дальнейшей обработки. Информационный блок продолжает циркулировать по кольцу; он окончательно удаляется после достижения станции, отославшей этот блок. Станция отправки может проверить вернувшийся блок, чтобы убедиться, что он был просмотрен и затем скопирован станцией назначения.

Рисунок 11.9 – Структура сети с маркерным доступом

Данная технология предлагает вариант решения проблемы коллизий, которая возникает при работе локальной сети. В технологии Ethernet, такие коллизии возникают при одновременной передаче информации несколькими рабочими станциями, находящимися в пределах одного сегмента, то есть использующих общий физический канал данных. Однако, в настоящее время по надежности Ethernet не уступает Token Ring и существенно выше по производительности.



11.6. Сети FDDI

FDDI (англ. Fiber Distributed Data Interface — распределённый волоконный интерфейс данных) — стандарт передачи данных в локальной сети, протянутой на расстоянии до 200 км. Стандарт основан на протоколе Token Ring. Кроме большой территории, сеть FDDI способна поддерживать несколько тысяч пользователей.

Рисунок 11.10 – Структура сети FDDI

В качестве среды передачи данных в FDDI рекомендуется использовать оптоволоконный кабель, однако можно использовать и медный кабель, в таком случае используется сокращение CDDI (Copper Distributed Data Interface). В качестве топологии используется схема двойного кольца, при этом данные в кольцах циркулируют в разных направлениях. Одно кольцо считается основным, по нему передаётся информация в обычном состоянии; второе — вспомогательным, по нему данные передаются в случае обрыва на первом кольце. Для контроля за состоянием кольца используется сетевой маркёр, как и в технологии Token Ring.

Поскольку дублирование повышает надёжность системы, данный стандарт с успехом применяется в магистральных каналах связи.

а.) Нормальный режим функционирования сети FDDI

б.) Функционирования сети FDDI при обрыве канала связи

Рисунок 11.11 - Функционирование сети FDDI при отказе



11.7. Сети Ethernet



11.7.1. Общий обзор технологии Ethernet

Ethernét (от лат. aether — эфир) — пакетная технология компьютерных сетей, преимущественно локальных. Технология Ethernet является классической реализацией топологии «общая шина».

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией построения сетей.

В стандарте первых версий Ethernet в качестве передающей среды использовался коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару, оптический кабель и радиоканал.

Метод управления доступом — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 100 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции.

Для адресации абонента в Ethernet сети используется MAC адрес. Это уникальный шестнадцатеричный серийный номер, назначаемый каждому сетевому устройству Ethernet, для идентификации его в сети. MAC адреса имеют длину 6 байт и обычно записываются шестнадцатеричным числом в виде 12:34:56:78:90:AB (двоеточия могут отсутствовать, но их наличие делает адрес более читабельным).



11.7.2. Технология случайного множественного доступа CSMA

CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) - технология множественного доступа к общей передающей среде в локальной сети с контролем коллизий. Если во время передачи фрейма рабочая станция обнаруживает другой сигнал, занимающий передающую среду, она останавливает передачу, посылает jam signal и ждет в течение случайного промежутка времени (известного как «backoff delay» и находимого с помощью алгоритма truncated binary exponential backoff), перед тем как снова отправить фрейм.

В радиосетях используется модификация случайного множественного доступа CSMA/CA.

 

Рисунок 11.12 - Пример работы технологии CSMA/CD

Технология передачи CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) решает следующие задачи:

-          Контроль среды передачи (радиосреды либо кабеля). Когда абонент собирается передавать данные в сеть методом CSMA/CD, он должен сначала проверить, передает ли в это же время по этому же кабелю свои данные другой абонент. Другими словами проверить состояние носителя: занят ли он передачей других данных.

-          Множественный доступ. Это означает, что несколько абонентов могут начать передачу данных в сеть одновременно.

-          Обнаружение конфликтов. Это главная задача метода CSMA/CD. Когда абонент готов передавать данные, он проверяет состояние носителя. Если кабель занят, абонент не посылает сигналы, а ожидает когда освободится носитель. Если же абонент не слышит передаваемых данных в носителе, то он начинает передавать данные сам. Так же может случиться, что прослушивают носитель сразу два абонента готовые к передаче. И когда носитель освобождается, оба узла начинают передавать данные одновременно. В этом случае в носителе происходит смешение сигналов, из-за чего теряются данные. Такая ситуация называется конфликтом или коллизией (рисунок 11.12).

Во время коллизии прием данных невозможен, поэтому оба абонента ожидают в течении случайного промежутка времени, после которого посылают сигналы заново. Случайные промежутки времени для разных абонентов создаются автоматически, для того чтобы не повторить коллизию. Абонент, у которого промежуток времени меньше, начнет передавать данные раньше. Таким образом, происходит "захват" носителя для передачи данных.

Обнаружение коллизий используется для улучшения производительности CSMA с помощью прерывания передачи сразу после обнаружения коллизии и снижения вероятности второй коллизии во время повторной передачи. Методы обнаружения коллизий зависят от используемого оборудования, но на электрических шинах, таких как Ethernet, коллизии могут быть обнаружены сравнением передаваемой и получаемой информации. Если она различается, то другая передача накладывается на текущую (возникла коллизия) и передача прерывается немедленно. Посылается jam signal («пробка»), что вызывает задержку передачи всех передатчиков на произвольный интервал времени, снижая вероятность коллизии во время повторной попытки (рисунок 11.13).


Рисунок 11.13 - Алгоритм CSMA/CD

Обнаружение коллизий используется для улучшения производительности CSMA с помощью прерывания передачи сразу после обнаружения коллизии и снижения вероятности второй коллизии во время повторной передачи. Методы обнаружения коллизий зависят от используемого оборудования, но на электрических шинах, таких как Ethernet, коллизии могут быть обнаружены сравнением передаваемой и получаемой информации. Если она различается, то другая передача накладывается на текущую (возникла коллизия) и передача прерывается немедленно. Посылается jam signal («пробка»), что вызывает задержку передачи всех передатчиков на произвольный интервал времени, снижая вероятность коллизии во время повторной попытки (рисунок 11.13).

Методы обнаружения коллизий зависят от используемого оборудования, но на электрических шинах, таких как Ethernet, коллизии могут быть обнаружены сравнением передаваемой и получаемой информации. Если она различается, то другая передача накладывается на текущую (возникла коллизия) и передача прерывается немедленно. Посылается jam signal, что вызывает задержку передачи всех передатчиков на произвольный интервал времени, снижая вероятность коллизии во время повторной попытки.



11.7.3. Стандарты технологии Ethernet

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мб/с и появилась возможность работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Гб/с для передачи по оптоволокну и по витой паре.

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии. Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во всех ниже перечисленных вариантах.

Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных, используя авто определение скорости и дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устройствами. Если авто определение не срабатывает, скорость подстраивается под партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие в устройстве порта Ethernet 10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE ‑TX, а порт Ethernet 10/100/1000 — поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.

Наиболее распространенными на сегодняшний день являются следующие стандарты Ehternet:

-       10BASE-T, IEEE 802.3i — для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории UTP-3 или UTP-5. Максимальная длина сегмента 100 м. Скорость передачи до 10 Мбит/с.

-       100BASE-T (основной, используемый в настоящий момент) — общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных витую пару. При этом витая пара UTP-5 является самым распространенным физическим стандартом Ethernet сети. Расположение контактов при использовании витой пары UTP-5 и разъёма RJ-45 приведен на рис. 11.14. Длина сегмента до 100 м. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2. Задействована витая пара категории 5. Скорость передачи до 100 Мбит/с.

-       1000BASE-T, IEEE 802.3ab — стандарт, использующий витую пару UTP категорий 5e или 6. В передаче данных участвуют все 4 пары. Скорость передачи данных — 250 Мбит/с по одной паре (всего до 1000 Мбит/с).

Перспективные развития стандарта Ethernet:

-       10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 — принят в июне 2006 года. Использует экранированную витую пару STP. Расстояние передачи — до 100 м.

-       10GBASE-SR — Технология 10 Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 м в, в зависимости от типа кабеля), используется многомодовое оптоволокно. Он также поддерживает расстояния до 300 м с использованием нового многомодового оптоволокна (2000 МГц/км).

-       10GBASE-LX4 — использует уплотнение по длине волны в оптических каналах (технология WDM) для поддержки расстояний от 240 до 300 м по многомодовому оптоволокну. Также поддерживает расстояния до 10 км при использовании одномодового оптоволокна.

Рисунок 11.14 - Расположение контактов при использовании витой пары UTP-5 и разъема RJ-45

В 100-мегагерцным Ethernet (T4, TX и FX) используется 8-контактный разъем (RJ-45) для скрученных пар UTP и STP или специальный оптоволоконный соединитель. Сравнительный анализ характеристик различных стандартов 100 BASE приведен в таблицах 11.1 - 11.3.

Таблица 11.1 - Максимальные размеры логического кабельного сегмента

Тип повторителя

Скрученные пары

Оптическое волокно

Один сегмент ЭВМ-ЭВМ

100 м

412 м

Один повторитель класса I

200 м

272 м

Один повторитель класса II

200 м

320 м

Два повторителя класса II

205 м

228 м

Таблица 11.2 - Типовые задержки для различных устройств Fast Ethernet

Сетевое устройство

Задержка [нс]

Повторитель класса I

700

Повторитель класса II (порты T4 и TX/FX)

460

Повторитель класса II (все порты T4)

340

Сетевая карта T4

345

Сетевая карта ТХ или FX

250

За счет использования повторителей и мостов возможна организация сетей Ethernet сложной конфигурации. Типовой вариант использования мостов и повторителей приведен на рис. 11.15, а требования к параметрам отдельных сегментов (на рис. 11.15) приведены в таблице 11.3.

Рисунок 11.15 - Типовой вариант использования мостов и повторителей в сети Ethernet

Таблица 11.3 - Требования к параметрам отдельных сегментов на рис. 11.15

Тип кабеля А (категория)

Тип кабеля В (категория)

Класс повтори-теля

Макс. длина кабеля А

Макс. длина кабеля В

Макс. диаметр сети

5,4,3 (TX, FX)

5,4,3 (TX, FX)

I или II

100 м

100 м

200 м

5 (TX)

Оптоволокно

I

100 м

160,8 м

260,8 м

3 или 4 (T4)

Оптоволокно

I

100 м

131 м

231 м

Оптоволокно

Оптоволокно

I

136 м

136 м

272 м

5 (TX)

Оптоволокно

II

100 м

208,8 м

308,8 м

3 или 4 (T4)

Оптоволокно

II

100 м

204 м

304 м

Оптоволокно

Оптоволокно

II

160 м

160 м

320 м



11.8. Беспроводные сети

Беспроводные технологии — подкласс информационных технологий, служат для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны или лазерное излучение.

В настоящее время существует множество беспроводных технологий, наиболее часто известных пользователям по их маркетинговым названиям, таким как Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения (рис. 11.16).

Рисунок 11.16 – Сравнение дальности и скорости передачи различных беспроводных стандартов

К наиболее распространенным стандартам беспроводных сетей относятся IEEE 802.11 (WiFi) и технология IEEE 802.16 (WiMax) – сравнительный анализ приведен в таблице 11.4.

Сравнение технологий WiFi и WiMAX показало следующее.

-       WiMAX это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензированные спектры частот для предоставления соединения с интернетом типа точка-точка провайдером конечному пользователю. Разные стандарты семейства 802.16 обеспечивают разные виды доступа, от мобильного до фиксированного.

-       Wi-Fi это система более короткого действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно Wi-Fi используется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернету. Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон.

-       WiMAX и Wi-Fi имеют совершенно разный механизм Quality of Service (QoS). WiMAX использует механизм, основанный на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS для каждого соединения. Wi-Fi, в свою очередь, использует механизм QoS подобный тому, что используется в Ethernet, при котором пакеты получают различный приоритет. Такой подход не гарантирует одинаковый QoS для каждого соединения.

Таблица 11.8 - Сравнительный анализ технологий беспроводной связи

Технология

Стандарт

Использование

Пропускная способность

Радиус действия

Частоты

Wi-Fi

802.11a

WLAN

до 54 Мб/с

до 300 м

5,0 ГГц

Wi-Fi

802.11b

WLAN

до 11 Мб/с

до 300 м

2,4 ГГц

Wi-Fi

802.11g

WLAN

до 54 Мб/с

до 300 м

2,4 ГГц

Wi-Fi

802.11n

WLAN

до 450 Мб/с (в перспективе до 600 Мб/с)

до 300 м

2,4 — 2,5 или 5,0 ГГц

WiMax

802.16d

WMAN

до 75 Мб/с

25-80 км

1,5-11 ГГц

WiMax

802.16e

Mobile WMAN

до 40 Мб/с

1-5 км

2,3-13,6 ГГц

WiMax 2

802.16m

WMAN, Mobile WMAN

до 1 Гб/с (WMAN), до 100 Мб/с (Mobile WMAN)

120-150 км (стандарт в разработке)

н\д (стандарт в разработке)

Bluetooth v. 1.1

802.15.1

WPAN

до 1 Мб/с

до 10 м

2,4 ГГц

Bluetooth v. 2.0

802.15.3

WPAN

до 2,1 Мб/с

до 100 м

2,4 ГГц

Bluetooth v. 3.0

802.11

WPAN

от 3 Мб/с до 24 Мб/с

до 100 м

2,4 ГГц

UWB

802.15.3a

WPAN

110-480 Мб/с

до 10 м

7,5 ГГц

ZigBee

802.15.4

WPAN

от 20 до 250 Мб/с

1-100 м

2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов), 868 МГц (1 канал)

Инфракрасная линия связи

IrDa

WPAN

до 16 Мб/с

от 5 до 50 см, односторон-няя связь — до 10 м

Инфракрасное излучение



11.8.1. Технология WiFi

IEEE 802.11 — стандарт связи, описывающий локальные компьютерные сети, построенные на основе беспроводных технологий. Пользователям этот стандарт более известен по имени Wi-Fi, фактически являющимся брендом, предложенным и продвигаемым организацией Wi-Fi Alliance. Стандарт Wi-Fi использует технологии коллизионного доступа CSMA/CD или CSMA/CA, передавая данные по радиоканалу с использованием кодирования псевдо-шумовым сигналом (ПШС).

В настоящее время IЕЕЕ 802.11b/g — самые распространённые стандарты, на базе которых построено большинство беспроводных локальных сетей.

Изначально стандарт IEEE 802.11 предполагал возможность передачи данных по радиоканалу на скорости не более 1 Мбит/с и опционально на скорости 2 Мбит/с.

Принятый в 1999 году стандарт IEEE 802.11b предусматривает использование не лицензируемого диапазона частот 2,4 ГГц. Скорость передачи до 11 Мбит/с.

Стандарт IEEE 802.11g был утверждён в октябре 2002 г. Этот стандарт предусматривает использование диапазона частот 2,4 ГГц, обеспечивая скорость передачи 54 Мбит/с.

В данное время ведется разработка стандарта 802.11n, который в обозримом будущем сможет обеспечить скорости до 320 Мбит/c.

Установка Wireless LAN рекомендуется там, где развёртывание кабельной системы было невозможно или экономически нецелесообразно. В нынешнее время во многих организациях используется Wi-Fi, так как при определенных условиях скорость работы сети уже превышает 100 Мбит/с. Пользователи могут перемещаться между точками доступа по территории покрытия сети Wi-Fi.

Таблица 11.5 - Сравнение протоколов 802.11g,  802.11n,  802.11b, Ethernet 10/100, Gigabit Ethernet

Технология

Скорость

Беспро-водная связь

Стоимость

Ethernet 10/100

100 Мбит/с

Нет

Низкая

Gigabit Ethernet

1000 Мбит/с

Нет

Очень высокая

802.11b

11 Мбит/с

Да

Низкая

802.11g

54 Мбит/с

Да

Средняя

802.11n

до 150 Мбит/с на 1 антенну

Да

Высокая

Wi-Fi был создан в 1991 NCR Corporation/AT&T (впоследствии — Lucent и Agere Systems) в Ньивегейн, Нидерланды. Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой WaveLAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с. Вик Хейз (Vic Hayes) — создатель Wi-Fi — был назван «отцом Wi-Fi» и находился в команде, участвовавшей в разработке таких стандартов, как IEEE 802.11b, 802.11a и 802.11g. В 2003 Вик ушёл из Agere Systems. Agere Systems не смогла конкурировать на равных в тяжёлых рыночных условиях, несмотря на то, что её продукция занимала нишу дешёвых Wi-Fi решений. Чипсет 802.11abg all-in-one (кодовое имя: WARP) от Agere плохо продавался, и Agere Systems решила уйти с рынка Wi-Fi в конце 2004 года.

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа (подключаемой как правило к существующей проводной инфраструктуре) и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка, когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0.1 Mбит/с каждые 100 мс. Так что 0.1 Mбит/с — наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID, приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт абонентам полную свободу при выборе критериев для соединения и роуминга.

Рисунок 11.17 – Схема доступа абонентов к WiFi сети

Преимущества Wi-Fi:

-       Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, может уменьшить стоимость развёртывания и расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.

-       Wi-Fi-устройства широко распространены на рынке. А устройства разных производителей могут взаимодействовать на базовом уровне сервисов.

-       Wi-Fi сети поддерживают роуминг, поэтому клиентская станция может перемещаться в пространстве, переходя от одной точки доступа к другой.

-       Wi-Fi — это набор глобальных стандартов. В отличие от сотовых телефонов, Wi-Fi оборудование может работать в разных странах по всему миру.

Недостатки Wi-Fi

-       Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах неодинаковы; во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США.

-       Довольно высокое по сравнению с другими стандартами потребление энергии, что уменьшает время жизни батарей и повышает температуру устройства.

-       Самый популярный стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости ключа). Несмотря на то, что новые устройства поддерживают более совершенный протокол шифрования данных WPA, многие старые точки доступа не поддерживают его и требуют замены. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало доступной более безопасную схему, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно назначаются пользователями.

-       Wi-Fi имеют ограниченный радиус действия. Типичный домашний Wi-Fi маршрутизатор стандарта 802.11b или 802.11g имеет радиус действия 45 м в помещении и 90 м снаружи. Микроволновая печь или зеркало, расположенные между устройствами Wi-Fi, ослабляют уровень сигнала. Расстояние зависит также от частоты.

-       Наложение сигналов закрытой или использующей шифрование точки доступа и открытой точки доступа, работающих на одном или соседних каналах может помешать доступу к открытой точке доступа. Эта проблема может возникнуть при большой плотности точек доступа, например, в больших многоквартирных домах, где многие жильцы ставят свои точки доступа Wi-Fi.

-       Неполная совместимость между устройствами разных производителей или неполное соответствие стандарту может привести к ограничению возможностей соединения или уменьшению скорости.

-       Во время дождя работает плохо.

В России использование Wi-Fi без разрешения на использование частот от Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) возможно для организации сети внутри зданий, закрытых складских помещений и производственных территорий. Для легального использования вне офисной беспроводной сети Wi-Fi (например, радиоканала между двумя соседними домами) необходимо получение разрешения на использование частот. Действует упрощенный порядок выдачи разрешений на использование радиочастот в полосе 2400 ‑ 2483,5 МГц (стандарты 802.11b и 802.11g), для получения такого разрешения не требуется частное решение ГКРЧ. Для использования радиочастот в других диапазонах, в частности 5 ГГц (стандарт 802.11a), необходимо предварительно получить частное решение ГКРЧ.

В 2007 году ситуация изменилась с выходом документа: "Постановление от 25 июля 2007 г. N 476 О внесении изменений в постановление Правительства Российской Федерации от 12 октября 2004 г. № 539 «О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств», где из списка оборудования, подлежащего регистрации шестнадцатым пунктом исключено: «Пользовательское (оконечное) оборудование радиодоступа (беспроводного доступа) в полосе радиочастот 2400—2483,5 МГц с мощностью излучения передающих устройств до 100 мВт включительно».

Но, манипулируя неявным определением «оконечное оборудование» (так как оконечным оборудованием так же может считаться и сетевой концентратор конечной магистральной точки) некоторые представители региональных ГКРЧ, являясь одновременно и провайдерами услуг связи в отдельных регионах РФ, обращают изменения Постановления N 476 в удобную себе сторону.

За нарушение порядка использования радиоэлектронных средств предусматривается ответственность по статьям 13.3 и 13.4 Кодекса Российской Федерации об административных правонарушениях (КоАП РФ). Так, в июле 2006 года несколько компаний в Ростове-на-Дону были оштрафованы за эксплуатацию открытых сетей Wi-Fi (хот-спотов). Совсем недавно Федеральная служба по надзору в сфере массовых коммуникаций, связи и охраны культурного наследия издало новое разъяснение использования и регистрации всех устройств, использующих Wi-Fi. Позднее оказалось, что существует комментарий Россвязьохранкультуры, который частично опровергает недоразумения, развитые сетевыми СМИ.



11.8.2. Технология WiMax

WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) — телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов). Основана на стандарте IEEE 802.16, который также называют Wireless MAN (WiMAX следует считать жаргонным названием, так как это не технология, а название форума, на котором Wireless MAN и был согласован).

Название «WiMAX» было создано WiMAX Forum — организацией, которая была основана в июне 2001 года с целью продвижения и развития технологии WiMAX. Форум описывает WiMAX как «основанную на стандарте технологию, предоставляющую высокоскоростной беспроводной доступ к сети, альтернативный выделенным линиям и DSL».

Максимальная скорость — до 1 Гбит/сек на базовую ячейку.

WiMAX подходит для решения следующих задач.

-       Соединения точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегментами Интернета.

-       Обеспечения беспроводного широкополосного доступа как альтернативы выделенным линиям и DSL.

-       Предоставления высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг.

-       Создания точек доступа, не привязанных к географическому положению.

-       Создания систем удалённого мониторинга (monitoring системы).

Место систем WiMAX среди других технологий при оценке скорости информационного обмена и поддержки мобильных пользователей приведено на рис. 11.18.

Рисунок 11.18 - Место систем WiMAX среди других технологий при оценке скорости информационного обмена и поддержки мобильных пользователей

Версии WiMAX существенно отличаются друг от друга. Хотя ряд базовых требований совпадает, нацеленность технологий на разные ниши привела к созданию двух отдельных версий стандарта. Поэтому WiMAX-системы, основанные на версиях e и d стандарта IEEE 802.16, практически несовместимы.

802.16-2004 (известен также как 802.16d и фиксированный WiMAX). Используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), поддерживается фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства представляют собой стационарные модемы для установки вне и внутри помещений. Под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. Данная технология будет конкурировать или дополнять технологию проводного широкополосного доступа.

802.16-2005 (известен также как 802.16e и мобильный WiMAX). Оптимизированная для поддержки мобильных пользователей. Применяется масштабируемый OFDM-доступ (SOFDMA), возможна работа при наличии либо отсутствии прямой видимости. Планируемые частотные диапазоны для сетей мобильного WiMAX таковы: 2,3-2,5; 2,5-2,7; 3,4-3,8 ГГц. Конкурентами 802.16e являются все мобильные технологии третьего поколения 3G (например, EV-DO, HSDPA).

В России сеть WiMAX 802.16e-2005 развернута «Скартелом» под брендом Yota.

Фиксированный WiMAX позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, а мобильный ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 150 км/ч. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента (как происходит в сетях сотовой связи). В частном случае, мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей.

Технология WiMAX позволяет осуществлять доступ к сети на высоких скоростях, с гораздо большим покрытием, чем у WiFi-сетей. Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные DSL- и выделенные линии, а также локальные сети. В результате подобный подход позволяет создавать масштабируемые высокоскоростные сети в рамках городов.

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации





Добавить страницу в закладки ->
© Банк лекций Siblec.ru
Электронная техника, радиотехника и связь. Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные и гуманитарные науки.

Новосибирск, Екатеринбург, Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Чебоксары.

E-mail: formyneeds@yandex.ru