شبکه بی سیم

ارتباطات بی سیم یکی از تکنولوژی های با رشد سریع است. تقاضا برای دستگاه های رابط بدون استفاده از کابل در همه جا در حال افزایش است.

ارتباطات بی سیم یکی از تکنولوژی های با رشد سریع است. تقاضا برای دستگاه های رابط بدون استفاده از کابل در همه جا در حال افزایش است. شبکه های محلی بی سیم[۱] را می توان در محوطة دانشگاه، در ساختمان های اداری و در بسیاری از مناطق عمومی یافت.

در این فصل، ما روی دو تکنولوژی بی سیم امید بخش برای شبکه های محلی تمرکز می کنیم: شبکه های محلی بی سیم IEEE 802.11 که گاهی آن را اترنت بی سیم می گویند و بلوتوث که یک تکنولوژی برای شبکه های محلی بی سیم کوچک است. اگرچه هر دو پروتکل به چندین لایه برای عملیات نیاز دارند، ما بیشتر روی لایه های فیزیکی و پیوند داده تمرکز می کنیم.

۱۴-۱- IEEE 802.11

موسسه استاندار IEEE ویژگی هایی را تحت عنوان IEEE 802.11[2] برای شبکه محلی بی سیم تعریف کرده است که لایه های فیزیکی و پیوند داده را پوشش می دهد.

معماری[۳]

استاندارد مزبور دو نوع سرویس را تعریف می کند: مجموعه سرویس پایه (BSS) و مجموعه سرویس گسترش یافته (ESS).

مجموعه سرویس پایه

IEEE 802.11 مجموعه سرویس پایه (BSS)[4] را به عنوان بلوک سازنده برای ساخت یک شبکه محلی بی سیم تعریف می کند. یک مجموعه سرویس پایه از ایستگاه های بی سیم متحرک یا ایستا و یک ایستگاه دسترسی مرکزی انتخابی شناخته شده به عنوان نقطة دسترسی (AP)[5] ساخته می شود. شکل ۱۴-۱ دو مجموعه را در این استاندارد نشان می دهد.

BSS بدون نقطة دسترسی یک شبکة مستقل است و نمی تواند داده را به BSS های دیگر بفرستند. به این یک معماری ad-hoc[6] می گویند. در این معماری، ایستگاه ها می توانند از یک شبکه بدون نیاز به نقطة دسترسی باشند؛ آنها می توانند با یکدیگر قرار گیرند و قبول کنند که بخشی از یک BSS باشند. یک BSS با یک نقطة دسترسی بعضی مواقع به عنوان یک شبکةزیرساخت[۷] معرفی می شود.

یک BSS بدون AP را شبکه ad-hoc می نامند؛ یک BSS با AP را یک شبکه زیرساخت می نامند.

شکل ۱۴-۱- مجموعه های سرویس پایه (BSS ها)

مجموعه سرویس گسترش یافته

یک مجموعه سرویس گسترش یافته (ESS)[1] از دو یا تعداد بیشتری BSS با نقطه های دسترسی ساخته می شود. در این مورد، BSS ها از طریق یک سیستم توزیع[۲] به یکدیگر متصل می شوند؛ شبکه توزیع معمولا یک شبکة محلی سیمی می باشد. سیستم توزیع، نقطه های دسترسی را در BSS ها متصل می کند. IEEE 802.11 سیستم توزیع را محدود نمی کند؛ و می تواند هر شبکة محلی استاندارد IEEE نظیر اترنت باشد. توجه داشته باشید که ESS از دو نوع ایستگاه استفاده می کند: متحرک و ایستا. ایستگاه های متحرک همان ایستگاه های معمولی داخل یک BSS هستند. ایستگاه های ایستا نیز ایستگاه های نقطة دسترسی هستند که بخشی از شبکة محلی سیم کشی شده می باشند. شکل ۱۴-۲ یک ESS را نشان می دهد.

 

شکل ۱۴-۲- مجموعه های سرویس گسترش یافته (ESS ها)

وقتی که BSS ها متصل می شوند، ایستگاه های داخل که به یکدیگر دسترسی دارند می توانند بدون استفاده از نقطة دسترسی ارتباط برقرار کنند. با این وجود، ارتباطات بین دو ایستگاه در دو BSS مختلف معمولا از طریق دو نقطة دسترسی اتفاق می افتد. این ایده شبیه به ارتباطات در یک شبکه سلولی است؛ اگر فرض کنیم هر BSS یک سلول باشد و هر نقطة دسترسی یک ایستگاه پایه باشد. توجه داشته باشید که ایستگاه متحرک می تواند به بیش از یک BSS در همان زمان متعلق باشد.

انواع ایستگاه[۱]

IEEE 802.11 سه نوع از ایستگاه ها را مبتنی بر نحوه و میزان تحرک، در یک شبکة محلی بی سیم تعریف می کند: متحرک بدون گذار[۲]، متحرک با گذار BSS[3]، و متحرک با گذار ESS[4]. یک ایستگاه متحرک بدون گذار یا ایستا (بدون حرکت) است اگر فاقد هرنوع تحرکی باشد یا تحرک آن محدود به یک BSS باشد. یک ایستگاه متحرک با گذار BSS می تواند از یک BSS به BSS دیگر حرکت کند؛ اما حرکت آن داخل یک ESS محدود شده است. یک ایستگاه متحرک با گذار ESS می تواند از یک ESS به ESS دیگر حرکت کند. با این وجود، IEEE 802.11 ضمانت نمی کند که ارتباطات در حین جابجایی برقرار باشد.

زیرلایة MAC[5]

IEEE 802.11 دو زیرلایة MAC را تعریف می کند: " تابع هماهنگی توزیع شده " (DCF)[6] و " تابع هماهنگی نقطه ای " (PCF)[7]. شکل ۱۴-۳ رابطه بین دو زیرلایة MAC را نشان می دهد زیرلایة LLC[8] و لایة فیزیکی. ما بعدا دربارة پیاده سازی لایة فیزیکی در این فصل بحث می کنیم و فعلا روی زیرلایة MAC تمرکز خواهیم کرد.

شکل ۱۴-۳- زیرلایه های MAC در استاندارد IEEE 802.11

تابع هماهنگی توزیع شده

یکی از دو پروتکل تعریف شده توسط IEEE در زیرلایة MAC بنام تابع هماهنگی توزیع شده (DCF) می باشد. DCF از CSMA/CA[1] (همانطور که در فصل ۱۲ تعریف شد) به عنوان روش دسترسی استفاده می کند. شبکه های محلی بی سیم به سه دلیل قادر به اجرای الگوریتم CSMA/CD[2] نیستند:

۱- برای کشف تصادم یک ایستگاه باید قادر باشد که داده ها را بفرستد و سیگنال های تصادم را در همان زمان دریافت کند. این نیاز می تواند به معنی ایستگاه های گران و نیازمندی های پهنای باند بالا باشد.

۲- به دلیل پدیده "مسئلة ایستگاه های مخفی" کشف تصادم ممکن است موفق نباشد دربارة این مسئله بعدا در این فصل بحث خواهیم کرد.

۳- فاصلة بین ایستگاه ها می تواند بیشتر شود. نوسان سیگنال می تواند مانع ایستگاه در یک سمت از شنیدن تصادم در سمت دیگر باشد.

فلوچارت فرآیند[۳]: شکل ۱۴-۴ فلوچارت فرآیند را برای CSMA/CA همانطور که در شبکه های محلی بی سیم استفاده می شود را نشان می دهد. ما مراحل را مختصرا توضیح خواهیم داد.

خط زمانی مبادلة فریم[۴]: شکل ۱۴-۵ مبادلة داده ها و فریم های کنترل در زمان را نشان می دهد.

 

 

شکل ۱۴-۴- فلوچارت CSMA/CA

شکل ۱۴-۵- CSMA/CA و NAV

1- قبل از فرستادن فریم، ایستگاه مبدا، رسانه را با بررسی سطح انرژی در فرکانس حامل حس می کند.

الف- کانال از یک استراتژی ماندگاری استفاده می کند که تا قطع کردن کانال بیکار می ماند.

ب- بعد از اینکه ایستگاه را بیکار می یابد، ایستگاه برای دوره ای از زمان منتظر می ماند که آن را فضای فریم داخلی توزیع شده (DIFS)[1] می نامند؛ سپس ایستگاه یک فریم کنترلی بنام " تقاضا برای ارسال " (RTS)[2] را می فرستد.

۲- بعد از دریافت تقاضا برای ارسال و منتظر ماندن برای دوره ای از زمان بنام فضای فریم داخلی کوتاه (SIFS)[3]، ایستگاه مقصد یک فریم کنترلی را به ایستگاه مبدا می فرستد، که آن را " مجوز ارسال " (CTS)[4] می نامند. این فریم کنترلی نشان می دهد که ایستگاه مقصد برای دریافت داده ها آماده است.

۳- ایستگاه مبدا بعد از انتظار به اندازة زمانی برابر با SIFS داده ها را می فرستد.

۴- ایستگاه مقصد، بعد از انتظار به اندازة زمانی برابر با SIFS، تصدیقی را می فرستد تا نشان دهد که فریم دریافت شده است. تصدیق در این پروتکل لازم است چرا که ایستگاه هیچ گونه وسیله ای را برای چک کردن ورود موفق داده های آن در مقصد ندارد. از طرف دیگر، عدم تصادم در CSMA/CD نوعی نشانه برای مبدا است که داده ها رسیده اند.

بردار تخصیص شبکه: بیایید بررسی کنیم که اگر یک ایستگاه به کانال انتقال دسترسی داشته باشد، چگونه ایستگاه های دیگر فرستادن داده هایشان را به تاخیر می اندازند؟ به عبارت دیگر، چگونه جنبة اجتناب از تصادم[۵] این پروتکل صورت می گیرد ؟ کلید این سوال یک ویژگی بنام NAV است.

وقتی که ایستگاهی یک فریم تقاضا برای ارسال را می فرستد، شامل مدت زمانی است که آن ایستگاه برای انتقال داده هایش کانال را در اشغال خود نگه میدارد. ایستگاه هایی که تحت تاثیر این انتقال واقع شده اند تایمری را بنام بردار تخصیص شبکه (NAV)[6] می سازند که نشان می دهد چقدر زمان باید بگذرد قبل از اینکه این ایستگاه ها اجازه دهند تا کانال برای بیکاری بررسی شود. هر زمان ایستگاهی به سیستم دسترسی دارد و یک فریم تقاضا برای ارسال را می فرستد، دیگر ایستگاه ها NAV شان را به راه می اندازند. به عبارت دیگر، هر ایستگاه، قبل از اینکه بفهمد رسانة فیزیکی برای دیدن بیکار است یا نه، اول NAV شان را بررسی می کنند تا ببینند آیا سپری شده است یا نه. شکل ۱۴-۵ ایدة NAV را نشان می دهد.

تصادم موقع تبادل[۷]: چه اتفاقی می افتد اگر در طول زمان، تصادم رخ دهد وقتی که فریم های کنترلی تقاضا برای ارسال یا مجوز ارسال در حال انتقال هستند، که اغلب آن را دورة تبادل[۸] می نامند ؟ دو تا از ایستگاه ها یا بیشتر ممکن است سعی کنند تا فریم های تقاضا برای ارسال را همزمان بفرستند. این فریم های کنترلی ممکن است تصادم کنند. با این وجود، بخاطر اینکه هیچ مکانیزمی برای کشف تصادم وجود ندارد، فرستنده فرض می کند تصادم رخ داده اگر فریم مجوز ارسال را از گیرنده دریافت نکند. استراتژی قطع کردن به کار می رود و فرستنده دوباره سعی می کند.

تابع هماهنگی نقطه ای (PCF)

تابع هماهنگی نقطه ای (PCF) یک روش دسترسی انتخابی است که می تواند در یک شبکة زیرساخت اجرا شود (نه در یک شبکة ویژه). که در بالای DCF اجرا می شود و اکثرا برای انتقال زمان حساس به کار می رود.

PCF دارای یک روش دسترسی نمونه برداری اتصال آزاد و متمرکز شده است. نقطة دسترسی نمونه برداری را برای ایستگاه هایی اجرا می کند که قادر به نمونه برداری هستند. ایستگاه ها یکی بعد از دیگری نمونه برداری می شوند و داده ها را باید به نقطة دسترسی ارسال کنند.

برای اولویت دادن PCF به DCF، مجموعة دیگری از فضای فریم داخلی تعریف شده است: PIFS و SIFS. SIFS همانی است که در DCF می باشد، اما PIFS (PCF IFS) کوتاه تر از DIFS است. این به این معنی است که اگر، در همان زمان ایستگاهی خواست تا فقط از DCF استفاده کند و نقطة دسترسی هم خواست تا از PCF استفاده کند، نقطة دسترسی اولویت دارد.

به علت اولویت PCF به DCF، ایستگاه هایی که فقط از DCF استفاده می کنند ممکن است به رسانه انتقال دسترسی نیابند. برای جلوگیری از این مشکل، یک بازة زمانی تکرار طراحی شده است تا هر دو ترافیک رقابت آزاد (PCF) و رقابت اصلی (DCF) را پوشش دهد. بازة زمانی تکرار[۹]، که بدون توقف تکرار می شود، با یک فریم کنترل مخصوص بنام فریم فانوس دریایی یا فریم سرکشی[۱۰] شروع می شود. وقتی که ایستگاه ها فریم فانوس دریایی را بشنوند (درک کنند و بپذیرند)، آنها NAV شان را برای مدت زمان دورة رقابت آزاد از بازة زمانی تکرار آغاز می کنند. شکل ۱۴-۶ نمونه ای از یک بازة زمانی تکرار را نشان می دهد.

شکل ۱۴-۶- نمونه ای از بازة زمانی تکرار

در طول بازة زمانی تکرار، PC (کنترل کنندة نقطه) می تواند فریم نمونه برداری را بفرستد، داده ها را دریافت کند، ACK (تصدیق) را بفرستد، تصدیق را دریافت کند، یا یا هر ترکیبی از اینها را انجام دهد (۸۰۲٫۱۱ از " سواری مجانی[۱] " استفاده می کند). در پایان دورة رقابت آزاد، PC فریم " پایان CF (پایان رقابت آزاد) "[2] را می فرستد تا به ایستگاه های رقابت اصلی اجازه دهد که از رسانه استفاده کنند.

قطعه قطعه سازی

محیط بی سیم خیلی شلوغ است؛ یک فریم معیوب باید دوباره فرستاده شود. بنابراین، پروتکل " قطعه قطعه سازی[۳] " را پیشنهاد می کند – تقسیم فریم بزرگ به فریم های کوچک تر. دوباره فرستادن فریم کوچک کارآمدتر از دوباره فرستادن فریم بزرگ است.

قالب فریم[۴]

همانطور که در شکل ۱۴-۷ نشان داده شده است، فریم لایة MAC شامل نه فیلد می باشد.

ü کنترل فریم (FC)[5]: فیلد FC به طول ۲ بایت می باشد و نوع بریم و بعضی از اطلاعات کنترلی را تعریف می کند. جدول ۱۴-۱ زیرفیلدها را توصیف می کند. ما بعدا در این فصل دربارة هر نوع فریم بحث خواهیم کرد.

 

شکل ۱۴-۷- قالب فریم

جدول ۱۴-۱- زیرفیلدها در فیلد FC

• D: در همة انواع فریم ها بجز یکی، این فیلد مدت زمان انتقالی که برای تنظیم مقدار NAV به کار می رود را تعریف می کند. در یک فریم کنترلی، این فیلد، ID فریم را تعریف می کند.
•  آدرس ها[۱]: چهار فیلد آدرس وجود دارد، که طول هر کدام ۶ بایت است. معنی هر فیلد آدرس به مقدار زیرفیلد " بهDS "[2] و " از DS "[3] بستگی دارد و بعدا در مورد آن بحث خواهد شد.
•  کنترل توالی[۴]: این فیلد شماره توالی فریمی که در کنترل جریان استفاده می شود را تعریف می کند.
• بدنة فریم[۵]: این فیلد، که می تواند بین ۰ تا ۲۳۱۲ بایت باشد، اطلاعات مبتنی بر نوع و زیرنوع تعریف شده در فیلد FC را شامل می شود.
• FCS: فیلد FCS به طول ۴ بایت می باشد و شامل یک توالی کشف خطای CRC-32 است.

انواع فریم[۶]

یک شبکة محلی بی سیم تعریف شده توسط IEEE 802.11 دارای سه گروه از فریم می باشد: فریم های مدیریت، فریم های کنترل، و فریم های داده.

فریم های مدیریت[۷]: فریم های مدیریت برای ارتباطات اولیة بین ایستگاه ها و نقاط دسترسی استفاده می شوند.

فریم های کنترل[۸]: فریم های کنترل برای دسترسی به فریم های تصدیق و کانال استفاده می شوند. شکل ۱۴-۸ قالب را نشان می دهد.

شکل ۱۴-۸- فریم های کنترلcontrol frame

برای فریم های کنترل، مقدار فیلد نوع برابر ۰۱ است؛ مقادیر فیلدهای زیرنوع برای فریم هایی که بحث کردیم در جدول ۱۴-۲ نشان داده شده است.

جدول ۱۴-۲- مقادیر زیرفیلدها در فریم های کنترل

فریم های داده[۱]: فریم های داده برای حمل داده ها و اطلاعات کنترلی استفاده می شوند.

مکانیزم آدرس دهی[۲]

مکانیزم آدرس دهی IEEE 802.11 چهار مورد را بیان می کند، که با مقدار دو پرچم در فیلد FC، به DS و از DS تعریف شده است. هر پرچم می تواند ۰ یا ۱ باشد، در نتیجه چهار حالت مختلف به وجود می آید. تفسیر چهار آدرس (آدرس ۱ تا آدرس ۴) در فریم MAC به مقدار این پرچم ها بستگی دارد، که در جدول ۱۴-۳ نشان داده شده است.

جدول ۱۴-۳- آدرس ها

توجه کنید که آدرس ۱ همیشه آدرس دستگاه بعدی است. آدرس ۲ همیشه آدرس دستگاه قبلی است. آدرس ۳، آدرس ایستگاه مقصد است اگر توسط آدرس ۱ تعریف نشده باشد. آدرس ۴، آدرس ایستگاه مبدا اصلی است اگر شبیه به آدرس ۲ نباشد.

• حالت[۱] ۱: ۰۰: در این حالت، به DS = 0 و از DS = 0 است. به این معنی که فریم به سیستم توزیع نمی رود (به DS= 0) و فریمی از سیستم توزیع نمی آید (از DS = 0). فریم از یک ایستگاه در BSS به دیگری می رود بدون عبور از طریق سیستم توزیع. فریم تصدیق باید به فرستندة اصلی ارسال شود. آدرس ها در شکل ۱۴-۹ نشان داده شده اند.

شکل ۱۴-۹- مکانیزم های آدرس دهی

• حالت ۲: ۰۱: در این حالت، به DS = 0 و از DS = 1 است. به این معنی که فریم از یک سیستم توزیع می آید (از DS = 0). فریم از نقطة دسترسی می آید و به ایستگاه می رود. تصدیق باید به نقطة دسترسی فرستاده شود. آدرس ها در شکل ۱۴-۹ نشان داده شده اند. توجه کنید که آدرس ۳ شامل فرستندة اصلی فریم (در BSS دیگر) می باشد.
•  حالت ۳: ۱۰: در این حالت، به DS = 1 و از DS = 0 است. به این معنی است که فریم به سیستم توزیع می رود (بهDS = 1). فریم از یک ایستگاه به نقطة دسترسی می رود. تصدیق به ایستگاه اصلی ارسال می شود. آدرس ها در شکل ۱۴-۹ نشان داده شده اند. توجه کنید که آدرس ۳ شامل مقصد نهایی فریم (در BSS دیگر) می باشد.
•  حالت ۴: ۱۱: در این حالت، به DS = 1 و از DS = 1 است. این حالتی است که در سیستم توزیع همان بی سیم می باشد. فریم از یک نقطة دسترسی به نقطة دسترسی دیگر در یک سیستم توزیع بی سیم می رود. ما نیاز نداریم که آدرس ها را تعریف کنیم اگر سیستم توزیع یک شبکة محلی بی سیم باشد چرا که فریم در این حالت ها دارای قالب یک فریم شبکة محلی سیم کشی شده (برای مثال، اترنت) می باشد. در اینجا، ما چهار آدرس نیاز داریم تا فرستندة اصلی، مقصد نهایی، و دو نقطة دسترسی میانی را تعریف کنیم. شکل ۱۴-۹ این وضعیت را نشان می دهد.