Стандарты ieee 802 x

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) является профессиональной организацией (США), определяющей стандарты, связанные с сетями и другими аспектами электронных коммуникаций. Группа IEEE 802.X содержит описание сетевых спецификаций и содержит стандарты, рекомендации и информационные документы для сетей и телекоммуникаций.

Публикации IEEE являются результатом работы различных технических, исследовательских и рабочих групп.

Рекомендации IEEE связаны главным образом с 2 нижними уровнями модели OSI - физическим и канальным. Эти рекомендации делят канальный уровень на 2 подуровня нижний - MAC (управление доступом к среде) и верхний - LLC (управление логическим каналом).

Часть стандартов IEEE (802.1 - 802.11) была адаптирована ISO (8801-1 - 8802-11, соответственно), получив статус международных стандартов. В литературе, однако, гораздо чаще упоминаются исходные стандарты, а не международные (IEEE 802.3, а не ISO/IEC 8802-3).

Ниже приведено краткое описание стандартов IEEE 802.X:

802.1 - задает стандарты управления сетью на MAC-уровне, включая алгоритм Spanning Tree. Этот алгоритм используется для обеспечения единственности пути (отсутствия петель) в многосвязных сетях на основе мостов и коммутаторов с возможностью его замены альтернативным путем в случае выхода из строя. Документы также содержат спецификации сетевого управления и межсетевого взаимодействия.

802.2 - определяет функционирование подуровня LLC на канальном уровне модели OSI. LLC обеспечивает интерфейс между методами доступа к среде и сетевым уровнем. Прозрачные для вышележащих уровней функции LLC включают кадрирование, адресацию, контроль ошибок. Этот подуровень используется в спецификации 802.3 Ethernet, но не включен в спецификацию Ethernet II.

802.3 - описывает физический уровень и подуровень MAC для сетей с немодулированной передачей (baseband networks), использующих шинную топологию и метод доступа CSMA/CD. Этот стандарт был разработан совместно с компаниями Digital, Intel, Xerox и весьма близок к стандарту Ethernet. Однако стандарты Ethernet II и IEEE 802.3 не полностью идентичны и для обеспечения совместимости разнотипных узлов требуется применять специальные меры. 802.3 также включает технологии Fast Ethernet (100BaseTx, 100BaseFx, 100BaseFl).

802.5 - описывает физический уровень и подуровень MAC для сетей с кольцевой топологией и передачей маркеров. Этому стандарту соответствуют сети IBM Token Ring 4/16 Мбит/с.

802.8 - отчет TAG по оптическим сетям. Документ содержит обсуждение использования оптических кабелей в сетях 802.3 - 802.6, а также рекомендации по установке оптических кабельных систем.

802.9 - отчет рабочей группы по интеграции голоса и данных (IVD). Документ задает архитектуру и интерфейсы устройств для одновременной передачи данных и голоса по одной линии. Стандарт 802.9, принятый в 1993 году, совместим с ISDN и использует подуровень LLC, определенный в 802.2, а также поддерживает кабельные системы UTP (неэкранированные кабели из скрученных пар).

802.10 - в этом отчете рабочей группы по безопасности ЛВС рассмотрены вопросы обмена данными, шифрования, управления сетями и безопасности в сетевых архитектурах, совместимых с моделью OSI.

802.11 - имя рабочей группы, занимающейся спецификаций 100BaseVG Ethernet 100BaseVG. Комитет 802.3, в свою очередь, также предложил спецификации для Ethernet 100 Мбит/с

Отметим, что работа комитета 802.2 послужила базой для нескольких стандартов (802.3 - 802.6, 802.12). Отдельные комитеты (802.7 - 802.11) выполняют в основном информационные функции для комитетов, связанных с сетевыми архитектурами.

Отметим также, что разные комитеты 802.X задают разный порядок битов при передаче. Например, 802.3 (CSMA/CD) задает порядок LSB, при котором передается сначала наименее значимый бит (младший разряд), 802.5 (token ring) использует обратный порядок - MSB, как и ANSI X3T9.5 - комитет, отвечающий за архитектурные спецификации FDDI. Эти два варианта порядка передачи известны как "little-endian" (канонический) и "big-endian" (неканонический), соответственно. Эта разница в порядке передачи имеет существенное значение для мостов и маршрутизаторов, связывающих различные сети.

Сетевые протоколы.

Сетевой протокол есть формат описания передаваемых сообщений и правила, по которым происходит обмен информацией между двумя или несколькими системами.

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol - протокол управления передачей/протокол Internet) Известен также как стек протоколов Internet (Internet Protocol Suite). Данный стек протоколов используется в семействе сетей Internet и для объединения гетерогенных сетей.

IPX/SPX - Internet Packet eXchange/Sequenced Packet eXchange. IPX используется в качестве основного протокола в сетях Novell NetWare для обмена данными между узлами сети и приложениями, работающими на различных узлах. Протокол SPX содержит расширенный по сравнению с IPX набор команд, позволяющий обеспечить более широкие возможности на транспортном уровне. SPX обеспечивает гарантированную доставку пакетов.

NetBEUI - NetBIOS Extended User Interface. Транспортный протокол, используемый Microsoft LAN Manager, Windows for Workgroups, Windows NT и других сетевых ОС.

Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) -это периферийное устройство компьютера, непосредственно взаимодействующее со средой передачи данных, которая прямо или через другое коммуникационное оборудование связывает его с другими компьютерами. Это устройство решает задачи надежного обмена двоичными данными, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, по внешним линиям связи. Как и любой контроллер компьютера, сетевой адаптер работает под управлением драйвера операционной системы и распределение функций между сетевым адаптером и драйвером может изменяться от реализации к реализации.

Сетевой концентратор – В локальных сетях нашли применение топологии различных типов. Наряду с широко распространенной «шиной» применяются топологии «пассивная звезда» и «дерево». Все типы топологий могут использовать репитеры и пассивные концентраторы для объединения разных сегментов сети. Основное требование к данным топологиям - отсутствие петель (замкнутых контуров).

Если сети на базе спецификаций 10BASE-2 или 10BASE-5 имеют небольшие размеры, то вполне можно обойтись без концентраторов. Но концентраторы обязательно должны применяться для спецификации 10BASE-T, имеющей топологию «пассивная звезда».

Для подключения к сети удаленных групп могут быть использованы концентраторы с дополнительным волоконно-оптическим портом. Существуют три разновидности реализации такого порта:

вставляемый в гнездо расширения slide-in-микротрансивер,

вставляемый в гнездо разъема AUI навесной микротрансивер,

постоянный оптический порт.

Оптические концентраторы применяются в качестве центрального устройства распределенной сети с большим количеством отдельных удаленных рабочих станций и небольших рабочих групп. Порты такого концентратора выполняют функции усилителей и осуществляют полную регенерацию пакетов. Существуют концентраторы с фиксированным количеством подключаемых сегментов, но некоторые типы концентраторов имеют модульную конструкцию, что позволяет гибко подстраиваться к существующим условиям. Чаще всего концентраторы и репитеры представляют собой автономные блоки с отдельным питанием.

Для технологии Fast Ethernet определены два класса концентраторов:

1) Концентраторы первого класса преобразуют приходящие из сегментов сигналы в цифровую форму. И только после этого передают их во все другие сегменты. Это позволяет подключать к таким концентраторам сегменты, выполненные по разным спецификациям: 100BASE-TX, 100BASE-T4 или 100BASE-FX.

2) Концентраторы второго класса производят простое повторение сигналов без преобразования. К такому концентратору можно подключать сегменты только одного типа.

Трафик

Характеристики трафика

Можно выделить две характеристики трафика - единица данных и способ упаковки этих единиц. Единицей данных может быть: бит, байт, октет, сообщение, блок. Они упаковываются в файлы, пакеты, кадры, ячейки. Они могут также передаваться без упаковки.

Скорость измеряется в единицах данных за единицу времени. Например, пакеты в секунду, байты в секунду, транзакции в минуту и т. д. Скорость также определяет время, требуемое для передачи единицы данных по сети.

Реальный размер передаваемых по сети данных складывается из непосредственно данных и необходимого информационного обрамления, составляющего накладные расходы на передачу. Многие технологии устанавливают ограничения на минимальный и максимальный размеры пакета. Так, например, для технологии Х.25 максимальный размер пакета составляет 4096 байт, а в технологии Frame Relay максимальный размер кадра составляет 8096 байт.

Можно выделить четыре наиболее общие характеристики трафика:

«взрывообразность»,

терпимость к задержкам,

время ответа,

емкость и пропускная способность.

Эти характеристики с учетом маршрутизации, приоритетов, соединений и т. д. как раз и определяют характер работы приложений в сети.

«Взрывообразность» характеризует частоту посылки трафика пользователем. Чем чаще пользователь посылает свои данные в сеть, тем она больше. Пользователь, который посылает данные регулярно, в одном темпе, сводит показатель «взрывообразности» практически к нулю. Этот показатель можно определить отношением максимального (пикового) значения трафика к среднему. Например, если максимальный объем пересылаемых данных в часы пик составляет 100 Мбит/с, а средний объем - 10 кбит/с, показатель «взрывообразности» будет равен 10.

Терпимость к задержкам характеризует реакцию приложений на все виды задержек в сети. Например, приложения, обрабатывающие финансовые транзакции в реальном масштабе времени, не допускают задержек. Большие задержки могут привести к неправильной работе таких приложений.

Приложения сильно различаются по допустимому времени задержки. Есть приложения, работающие в реальном времени (видеоконференции) - там время задержки должно быть крайне малым. С другой стороны, встречаются приложения, терпимые к задержкам в несколько минут или даже часов (электронная почта и пересылка файлов). На рис. 2.3 показано, из чего составляется общее время реакции системы.

Рис. 2.3. Общее время ответа сети

Понятия емкости и пропускной способности сети связаны между собой, но, по сути, это не одно и то же. Емкость сети - это реальное количество ресурсов, доступных пользователю на определенном пути передачи данных. Пропускная способность сети определяется общим количеством данных, которые могут быть переданы в единицу времени. Емкость сети отличается от пропускной способности сети из-за наличия накладных расходов, которые зависят от способа использования сети. Таблица 2.1 содержит характеристики трафика для различных приложений.

Нет ни пользователей, ни разработчиков, которые не были бы озабочены оптимальностью создаваемой сетевой инфраструктуры. При этом главный вопрос:

будет ли работа сети удовлетворительной по истечении некоторого времени после ее внедрения?

Таблица 2.1.Характеристики трафика разных приложений

Приложение/ Характеристика	Загружен-ность трафика	Терпимость к задержкам	Время ответа	Пропускная способность,
Электронная почта			Регламентируется
Передача файлов			Регламентируется
CAD/CAM-системы			Близко к РВ
Обработка транзакций			Близко к РВ
Связь локальных сетей			Реальное время
Доступ к серверу			Реальное время
Высококачественное аудио			Реальное время

Больше всего проблем возникает при попытке «собрать» множество одно-функциональных сетей в одну гибкую многосервисную сеть. Еще трудней получить такую сеть, которая бы смогла разрешить абсолютно все проблемы, хотя бы в обозримом будущем. Сетевые специалисты понимают, что бизнес-функции организации постоянно меняются. Организация совершенствует свою структуру, рабочие группы формируются и исчезают, производство перепрофилируется и т.д. В свою очередь, меняются и приложения, ориентированные на работу в сети. Пользовательские рабочие станции сейчас предоставляют услуги по обработке сообщений, видеоинформации, телефонии и т. д.

В этой связи, при создании сети с комбинированными функциями нужно гарантировать необходимый уровень сервиса для каждого приложения. В противном случае пользователи будут вынуждены отказаться от многосервисной сети в пользу старой специализированной сети. Как показывает текущее состояние сети Internet, обработка всего графика на равных правах приводит к серьезным проблемам, особенно при ограниченной пропускной способности. Некоторые приложения требуют быстрой реакции сети. Поэтому возникла необходимость гарантировать время реакции, пропускную способность сети и подобные параметры. Такая технология была разработана и получила название качество обслуживания (Quality of Service, QoS). Качество обслуживания использует распределение по категориям и назначение приоритетов графикам, что позволит гарантировать графику с большим приоритетом лучшие условия передачи через сетевую магистраль, вне зависимости от требований к пропускной способности графиков менее важных приложений. Технология качества обслуживания может применяться для определения стоимости услуг многосервисной сети. Качество обслуживания позволяет связать стоимость сетевых услуг с сетевой производительностью.

Однако возникает вопрос: какую именно технологию качества обслуживания должен выбрать сетевой специалист? Существует несколько вариантов: организация приоритетных очередей в маршрутизаторах, использование протокола RSVP, применение QoS ATM и т. д. Но следует отметить, что всегда можно отказаться от технологии качества обслуживания. Это можно сделать, например, введя «силовые» методы распределения полосы пропускания и не используя эти методы там, где не нужно. Для выбора конкретной технологии качества обслуживания необходимо провести анализ требований пользователей к качеству обслуживания и рассмотреть возможные альтернативы.

Трафик разных приложений

В последнее время все отчетливее прослеживается тенденция введения в приложения услуг телефонии, групповой работы над документами, обработки сообщений, видео и т. д. Эта тенденция определяет требования к сетевой магистрали, которая, комбинируя ЛВС-, MAN- и WAN-магистрали, должна иметь многосервисную основу и передавать любые типы трафика с требуемым качеством.

Можно условно разделить трафик на три категории, отличающиеся друг от друга требованиями к задержке при передаче:

D Трафик реального времени . К этой категории относятся трафик с аудио-и видеоинформацией, не допускающий задержки при передаче. Задержка обычно не превышает 0,1 с, включая время на обработку на конечной станции. Кроме того, задержка должна иметь небольшие колебания во времени (эффект «дрожания» должен быть сведен к нулю). Следует отметить, что при сжатии информации трафик данной категории становится очень чувствительным к ошибкам при передаче. При этом из-за требования малой задержки возникающие ошибки не могут быть исправлены с помощью повторной посылки;

U Трафик транзакций. Эта категория требует задержки до 1 с. Увеличение этого предельного значения заставляет пользователей прерывать свою работу и ждать ответа, потому что только после получения ответа они могут продолжить отправлять свои данные. Поэтому большие задержки приводят к уменьшению производительности труда. Кроме того, разброс в значениях задержки приводит к дискомфорту в работе. В некоторых случаях превышение допустимого времени задержки приведет к сбою рабочей сессии и пользовательским приложениям потребуется начать ее вновь;

О Трафик данных. Эта категория трафика может работать практически с любой задержкой, вплоть до нескольких секунд. Особенностью такого трафика является повышенная чувствительность к доступной пропускной способности, но не к задержкам. Увеличение пропускной способности влечет за собой уменьшение времени передачи. Приложения, передающие большие объемы данных, разработаны, в основном, так, что захватывают всю доступную полосу пропускания сети. Редкими исключениями являются приложения потокового видео. Для них важны и пропускная способность и минимизация времени задержки.

Внутри каждой рассмотренной категории графики классифицируются по присвоенным им приоритетам. Трафик, имеющий более высокий приоритет, получает предпочтение при обработке. Примером приоритетного трафика может быть транзакция с заказом.

Введение приоритетов неизбежно при недостаточности ресурсов сети. Приоритеты могут использоваться для выделения групп, прикладных программ и отдельных пользователей в группах.

Передача аудио- и видеоинформации чувствительна к изменению задержки или, иными словами, к дрожанию. Например, превышение допустимого порога дрожания может привести к достаточно ощутимым искажениям изображений, необходимости дублирования видеокадров и т. д. Передача звука также чувствительна к дрожанию, так как человеку трудно воспринимать неожиданные паузы в речи абонента.

Проведенные исследования показали, что в случае передачи низкокачественной аудиоинформации по сети, максимальная задержка сигнала должна находиться в пределах от 100 до 150 мс. В случае передачи изображений этот параметр не должен превышать 30 мс. Таблица 2.2 определяет диапазон приемлемых задержек при передаче аудиоинформации.

Таблица 2.2.Воздействие задержек на восприятие голосового сигнала

Кроме того, так как потоки аудио- и видеоинформации следуют через различные устройства, которые обрабатывают трафик с учетом эффекта дрожания на основе разных алгоритмов, может быть быстро потеряна синхронизация между изображением и голосом (как это бывает в плохих фильмах). С эффектом дрожания можно бороться, применяя буферную память на принимающей стороне. Но следует помнить, что объем буфера может достигать значительных размеров, а это приводит как к удорожанию аппаратуры, так и к обратному эффекту - увеличению задержки за счет накладных расходов при обработке информации в большом буфере.

Описание программы Net Cracker .

Программа Net Cracker Professional предназначена для моделирования компьютерных сетей всех типов, а также имитации процессов в созданных сетях. При имитации процессов в созданных проектах сетей программа позволяет выдавать отчеты по результатам имитации.

Методика построения проекта включает следующие шаги:

В окно проекта заносится сетевое оборудование, которое будет использоваться для построения сети. Если необходимо, то в рабочие станции и/или сервера добавляются сетевые адаптеры из списка. Возможно конфигурирование рабочих станций и серверов, которое выполняется при нажатии на них правой кнопкой мыши.

В режиме “Link devices” соединяются сетевое оборудование и компьютеры.

Для того, чтобы можно было задать трафик на серверы обязательно устанавливается соответствующее общее программное обеспечение (ПО) (в списке оборудования выбирается опция Network and Enterprise Software ).

Поддержка по умолчанию общим ПО типов трафика приведена в таблице 2.3.

Таблица 2.3. Поддержка трафика о умолчанию.

Общее ПО	Поддерживаемый трафик
	File client-server
Small office database server	Data base client-server; SQL
HTTP – server

Если выбранное общее ПО не поддерживает конкретный тип трафика, то настройка осуществляется следующим образом:

кликнуть правой клавишей по серверу в окне проекта;

выбрать опцию Configuration в контекстном меню;

выделить в окне конфигурации установленное на сервер общее ПО и нажать клавишу Plug - in Setup ;

выбрать вкладку Traffic ;

установить необходимые флаги типов трафика;

нажать клавишу OK;

закрыть окно конфигурации.

В это же окне конфигурации, на вкладке Server можно задать параметры ответа сервера на поступающие запросы.

4. После выбора типа трафика необходимо задать сам трафик между компьютерами. Для этого на панели инструментов надо нажать кнопку “Set Traffic, затем поочередно щелкнуть левой кнопкой мыши станцию-клиента и сервер, с которым клиент будет обмениваться данными. Трафик можно также задать и между клиентами. Направление трафика определяется от первого щелчка ко второму. Изменять свойства трафика можно с помощью пункта меню “Global”=>” Data Flow”, в том числе добавлять и удалять сетевой трафик.

5. При выборе компьютера или сегмента сети необходимо в соответствии с вариантом задания указать типы отображаемой статистики. Для этого следует выбрать в выпадающем меню пункт “Statistics”, а в появившемся окне галочками отметить, в каком виде выводить статистику. Статистику можно выводить в виде диаграммы, числа, графика или голосом. Далее нажать OK.

6. В случае многоуровневого проекта, когда при построении сети один фрагмент сети верхнего уровня детально показывается на нижнем уровне (например, когда требуется показать связи между зданиями и показать строение сети внутри здания), следует выделить раскрываемый фрагмент, нажать на правую кнопку мыши, и в выпадающем меню выбрать пункт => Expand. После этого можно продолжать рисовать сеть на новом листе.

7. Процесс имитации запускается с помощью кнопки “Start”.

После окончания процесса имитации отчеты выводятся следующим образом: в меню выбирается пункт “Tools” => “Reports” => “Wizard” => “Statistical” => в зависимости от задания. Отчет можно также получить, не используя услуги мастера, а просто выбрав соответствующий пункт в подменю “Reports”. Полученный отчет можно распечатать или сохранить в виде файла.

Полученный рисунок сети можно вывести на печать, используя меню File=>Print.

Примечания:

Во всех вариантах длины кабелей берутся произвольно (длины не должны превышать допустимые стандартом значения).

Для сетей с топологией FDDI в базе данных нет устройств MSAU. Поэтому для этой топологии в базе следует выбрать “Generic LAN’s”=>FDDI (схематический рисунок FDDI).

Устройства типа сервера удаленного доступа можно найти в базе устройств Routers and Bridges => Access Server => открыть любого производителя => найти там подходящее устройство. После этого к нему можно подключить либо модемы, либо устройства DSU/CSU.

Построение многоуровневого (иерархического) проекта необходимо начинать с самого верхнего уровня (корня), раскрывая подуровни через контекстное меню (Expand) выделенного объекта текущего уровня.

Фоновое изображение карты местности (Map) выбирается при настройке: меню Sites => Site Setup =>Background.

Стандарт 802.15.4 предназначен для организации двух нижних уровней эталонной модели OSI в беспроводной сенсорной сети - физический (PHY) и канальный (подуровень MAC). Эти слои предлагают услуги высшим слоям (Рис. 2). Интерфейсы между слоями служат для определения логических связей. Физический уровень предоставляет две услуги: физическое обслуживание данных и физическое обслуживание управления. Задачи уровня - активация/дезактивация радио- приемопередатчика, выбор канала, определение уровня энергии (energy detection), передача и получение пакетов через физическую среду. MAC уровень предоставляет следующие услуги: обслуживание данных и обслуживание управления на канальном уровне. Задачи уровня - сигнальное управление, доступ к каналу, управление GTS, утверждение пакетов, подтверждение доставки пакетов, соединение (ассоциация) и разъединение (дизассоциация) с устройствами, кроме того обеспечение механизма безопасности

Рис.2

Стандарт определяет протокол и взаимосвязь устройств в следующих трех не лицензируемых радиодиапазонах:

• · 868,0 - 868,6 МГц (Европа, один канал);
• · 902 - 928 МГц (Северная Америка, всего 10 каналов, шаг центральных частот - 2 МГц, самая нижняя из них - 906 МГц);
• · 2450 МГц (остальной мир, всего 16 каналов, шаг центральных частот - 5 МГц, самая нижняя из них - 2405 МГц).

Скорости передачи данных в каналах при этом составляют от 20 Кбит/с (в диапазоне 868 МГц) до 250 Кбит/с (2450 МГц).

В радиоканале использован метод широкополосной передачи с расширением спектра прямой последовательностью (DSSS) и параллельной (PSSS). Вся используемая «широкая» полоса частот делится на некоторое число подканалов. Каждый передаваемый бит информации превращается, по заранее зафиксированному алгоритму, в последовательность из n бит, и эти n бит передаются одновременно и параллельно, используя все n подканалов.

В каждый передаваемый информационный бит (логический 0 или 1) встраивается последовательность так называемых чипов. Чиповые последовательности, встраиваемые в информационные биты, называют шумоподобными кодами (PN-последовательности), что подчеркивает то обстоятельство, что результирующий сигнал становится шумоподобным и его трудно отличить от естественного шума. Благодаря этому можно использовать один и тот же участок радиоспектра дважды - обычными узкополосными устройствами и «поверх них» -- широкополосными.

Модуляция данных - квадратурная фазовая со сдвигом (O-QPSK). Формирование сигнала в квадратурной схеме происходит так же, как и в модуляторе QPSK, за исключением того, что кодирующие биты квадратурной составляющей несущей Q имеют временную задержку на длительность одного элемента Т. Изменение фазы при таком смещении кодирующих потоков определяется лишь одним элементом последовательности, а не двумя. В результате скачки фазы на 180° отсутствуют, поскольку каждый элемент последовательности, поступающий на вход модулятора синфазного или квадратурного канала, может вызвать изменение фазы на 0, 90 или 270° (-90°). Серьезным недостатком фазовой модуляции является то обстоятельство, что при декодировании сигнала приемник должен определять абсолютное значение фазы сигнала, так как в фазовой модуляции информация кодируется именно абсолютным значением фазы сигнала. Для этого необходимо, чтобы приемник имел информацию об «эталонном» синфазном сигнале передатчика. Тогда путем сравнения принимаемого сигнала с эталонным можно определить абсолютный сдвиг фазы.

Все устройства стандарта можно классифицировать по функциональности и по назначению.

По функциональности можно выделить два типа устройств: полнофункциональные (FFD) и полуфункциональные (RFD). Полнофункциональное устройство может соединяться с любым устройством в сети, а полуфункциональные - только с FFD.

По назначению существуют три различных типа устройств ZigBee.

Координатор ZigBee (ZC) -- наиболее ответственное устройство, формирует пути древа сети и может связываться с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee. Он управляет сетью - назначает PAN ID сети, раздает короткие адреса, выбирает частоту.

Маршрутизатор ZigBee (ZR) -- может выступать в качестве промежуточного маршрутизатора, передавая данные с других устройств. Он также может запускать функцию приложения.

Конечное устройство ZigBee (ZED) -- его функциональная нагруженность позволяет ему обмениваться информацией с материнским узлом (или координатором, или с маршрутизатором), он не может передавать данные с других устройств. Такое отношение позволяет узлу львиную часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей. ZED требует минимальное количество памяти, и поэтому может быть дешевле в производстве, чем ZR или ZC.

Выделяют следующие топологии сети:

• · звезда;
• · точка-точка (сеть равноправных узлов).

Рис.3

В топологии «звезда» обмен данными происходит между центральным главным контроллером, называемым PAN-координатором и остальными ведомыми устройствами. Он является первичным устройством в сети и поэтому может питаться от стационарного источника.

В топологии «равноправных узлов» также имеется PAN-координатор, однако любое устройство, в отличие от топологии «звезда», может связаться с другим, пока они находятся в пределах друг друга. Таким образом «равноправные узлы» могут образовывать более сложные сетевые образования, например, петлю или кластерное дерево (Рис. 4). В этом случае RFD устройства соединяются с древовидной кластерной схемой как листовое устройство в конце ветви.

Рис.4

Все устройства должны поддерживать уникальные 64-разрядные адреса. Эти адреса используются для адресации в пределах данной сети. Чтобы уменьшить трафик сети предусмотрено использование 16-разрядных адресов, назначаемых координатором сети.

В стандарте также определено опциональное использование суперструктуры (superframe). Она определяется координатором и связывается маяками (beacon). Эти маяки передаются в первом слоте каждой суперструктуры. Существует её два вида - с активным и неактивным периодами. В течении неактивного периода координатор может перейти в маломощный режим. Если использовать суперструктуру не обязательно, то координатор перестанет посылать маяки. Маяки служат для синхронизации устройств с PAN-координатором во время соединения. Любое устройство, желающее связаться в течении CAP (период доступа), конкурирует с другими устройствами, используя CSMA-CA механизм. Все транзакции завершаются до следующего маяка. Для приложений, требующих низкий уровень ожидания или требующих пропускную способность для специфических данных, координатор выделяет специальные суперструктуры - гарантированные временные слоты (GTS). GTS формируется в свободный период (CFP), который всегда появляется в конце активной суперструктуры, после CAP.

Упомянутый механизм CSMA-CA работает по принципу прослушивания частот в течение определенного времени и обнаружения свободной частоты для передачи данных. Если канал занят, то узел «отстраняется» и ждет определенное количество времени, прежде чем опять предпринять попытку отправки пакета. Избежание коллизий используется для того, чтобы улучшить производительность CSMA, отдав сеть единственному передающему устройству. Эта функция возлагается на «сжатый сигнал» в CSMA/CA. Улучшение производительности достигается за счёт снижения вероятности коллизий и повторных попыток передачи. Но ожидание «сжатого сигнала» создаёт дополнительные задержки, поэтому другие методики позволяют достичь лучших результатов.

Модель пересылки данных заключает в себе три вида транзакций. Первый вид - передача данных координатору, второй - передача от координатора, третий вид - передача между равными устройствами. В топологии типа «звезда» применяется только первые два вида транзакций, так как данные идут между координатором и устройством. В топологии «равноправных узлов» возможны все три вида транзакций.

Пересылка данных координатору происходит в следующем порядке (Рис. 5):

• · устройство ищет маяк, посылаемый координатором. Когда маяк найден устройство синхронизируется;
• · далее в определенный момент времени (по механизму CSMA-CA) отправляются сами данные;
• · получив данные, координатор отправляет устройству подтверждение об успешном приеме данных.

В случае, если маяк не используется, данные сразу пересылаются координатору по механизму CSMA-CA. При получении данных он также отправляет подтверждение.

Рис.5

Пересылка данных от координатора (Рис. 6):

• · координатор информирует устройство в маяке о наличии данных;
• · устройство, получив маяк, отправляет MAC команду запроса данных;
• · в ответ координатор отправляет подтверждение об успешном приеме;
• · сразу за подтверждением пересылаются сами данные;
• · по прибытию данных устройство отправляет координатору подтверждение об успешном получении.

Если маяк не используется, то координатор накапливает данные и при получении запроса от устройства отправляет их.

Рис.6

При передаче данных между равноправными устройствами данные могут передаваться, как и в первых двух случаях, после синхронизации.

Стандартом определяется четыре типа пакетов:

• · сигнальный пакет (beacon frame), используемый координатором, чтобы передавать маяки;
• · пакет данных (data frame), используемый для передачи данных;
• · пакет подтверждения (acknowledgment frame), используемый для подтверждения успешного приема;
• · командный пакет, используемый для управления объекта MAC.

Сигнальный пакет имеет следующую структуру (Рис. 7).

Рис.7

Пакет данных имеет следующую структуру (Рис. 8).

Рис.8

Пакет подтверждения имеет следующую структуру (Рис. 9).

Рис.9

Командный пакет имеет следующую структуру (Рис. 10).

Рис.10

Для проверки целостности пакета в нем содержится так называемая контрольная сумма (16-битное поле FCS). Алгоритм вычисления контрольной суммы носит название циклического избыточного кода (CRC). Для получения контрольной суммы, необходимо сгенерировать полином G(x). Основное требование к полиному: его степень должна быть равна длине контрольной суммы в битах. При этом старший бит полинома обязательно должен быть равен «1». Из файла берется первое слово. Если старший бит в слове "1", то слово сдвигается влево на один разряд с последующим выполнением операции XOR. Соответственно если старший бит в слове "0", то после сдвига операция XOR не выполняется. После сдвига (умножения) теряется старый старший бит, а младший бит освобождается (обнуляется). На место младшего бита загружается очередной бит из файла. Операция повторяется до тех пор, пока не загрузится последний бит файла.

После прохождения всего файла, в слове остается остаток, который и является контрольной суммой.

В данном стандарте 802.15.4 предусматривается защита данных с помощью симметричных ключей шифрования. Криптографический механизм предусматривает:

• · конфиденциальность данных (передаваемая информация известна только тем, кому она предназначена);
• · подлинность данных (защита от изменения данных в пути);
• · дублирование данных (повторная передача данных).

Комитет по стандартам IEEE 802 сформировал рабочую группу по стандартам для беспроводных локальных сетей 802.11 в 1990 году. Эта группа занялась разработкой всеобщего стандарта для радиооборудования и сетей, работающих на частоте 2,4 ГГц, со скоростями доступа 1 и 2 Mbps (Megabits-per-second). Работы по созданию стандарта были завершены через 7 лет, и в июне 1997 года была ратифицирована первая спецификация 802.11. Стандарт IEEE 802.11 являлся первым стандартом для продуктов WLAN от независимой международной организации, разрабатывающей большинство стандартов для проводных сетей. Однако к тому времени заложенная первоначально скорость передачи данных в беспроводной сети уже не удовлетворяла потребностям пользователей. Для того, чтобы сделать технологию Wireless LAN популярной, дешёвой, а главное, удовлетворяющей современным жёстким требованиям бизнес-приложений, разработчики были вынуждены создать новый стандарт.

В сентябре 1999 года IEEE ратифицировал расширение предыдущего стандарта. Названное IEEE 802.11b (также известное, как 802.11 High rate), оно определяет стандарт для продуктов беспроводных сетей, которые работают на скорости 11 Mbps (подобно Ethernet), что позволяет успешно применять эти устройства в крупных организациях. Совместимость продуктов различных производителей гарантируется независимой организацией, которая называется Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA). Эта организация была создана лидерами индустрии беспроводной связи в 1999 году. В настоящее время членами WECA являются более 80 компаний, в том числе такие известные производители, как , , и пр. С продуктами, удовлетворяющими требованиям Wi-Fi (термин WECA для IEEE 802.11b), можно ознакомиться на сайте .

Потребность в беспроводном доступе к локальным сетям растёт по мере увеличения числа мобильных устройств, таких как ноутбуки и PDA, а так же с ростом желания пользователей быть подключенными к сети без необходимости "втыкать" сетевой провод в свой компьютер. По прогнозам, к 2003 году в мире будет насчитываться более миллиарда мобильных устройств, а стоимость рынка продукции WLAN к 2002 году прогнозируется более чем в 2 миллиарда долларов.

Стандарт IEEE 802.11 и его расширение 802.11b

Как и все стандарты IEEE 802, 802.11 работает на нижних двух уровнях модели ISO/OSI, физическом уровне и канальном уровне (рис. 1). Любое сетевое приложение, сетевая операционная система, или протокол (например, TCP/IP), будут так же хорошо работать в сети 802.11, как и в сети Ethernet.

Рис. 1. Уровни модели ISO/OSI и их соответствие стандарту 802.11.

Основная архитектура, особенности и службы 802.11b определяются в первоначальном стандарте 802.11. Спецификация 802.11b затрагивает только физический уровень, добавляя лишь более высокие скорости доступа.

Режимы работы 802.11

802.11 определяет два типа оборудования — клиент, который обычно представляет собой компьютер, укомплектованный беспроводной сетевой интерфейсной картой (Network Interface Card, NIC), и точку доступа (Access point, AP), которая выполняет роль моста между беспроводной и проводной сетями. Точка доступа обычно содержит в себе приёмопередатчик, интерфейс проводной сети (802.3), а также программное обеспечение, занимающееся обработкой данных. В качестве беспроводной станции может выступать ISA, PCI или PC Card сетевая карта в стандарте 802.11, либо встроенные решения, например, телефонная гарнитура 802.11.

Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети — режим "Ad-hoc" и клиент/сервер (или режим инфраструктуры — infrastructure mode). В режиме клиент/сервер (рис. 2) беспроводная сеть состоит из как минимум одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных оконечных станций. Такая конфигурация носит название базового набора служб (Basic Service Set, BSS). Два или более BSS, образующих единую подсеть, формируют расширенный набор служб (Extended Service Set, ESS). Так как большинству беспроводных станций требуется получать доступ к файловым серверам, принтерам, Интернет, доступным в проводной локальной сети, они будут работать в режиме клиент/сервер.

Рис. 2. Архитектура сети "клиент/сервер".

Режим "Ad-hoc" (также называемый точка-точка, или независимый базовый набор служб, IBSS) — это простая сеть, в которой связь между многочисленными станциями устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа (рис. 3). Такой режим полезен в том случае, если инфраструктура беспроводной сети не сформирована (например, отель, выставочный зал, аэропорт), либо по каким-то причинам не может быть сформирована.

Рис. 3. Архитектура сети "Ad-hoc".

Физический уровень 802.11

На физическом уровне определены два широкополосных радиочастотных метода передачи и один — в инфракрасном диапазоне. Радиочастотные методы работают в ISM диапазоне 2,4 ГГц и обычно используют полосу 83 МГц от 2,400 ГГц до 2,483 ГГц. Технологии широкополосного сигнала, используемые в радиочастотных методах, увеличивают надёжность, пропускную способность, позволяют многим несвязанным друг с другом устройствам разделять одну полосу частот с минимальными помехами друг для друга.

Стандарт 802.11 использует метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) и метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Эти методы кардинально отличаются, и несовместимы друг с другом.

Для модуляции сигнала FHSS использует технологию Frequency Shift Keying (FSK). При работе на скорости 1 Mbps используется FSK модуляция по Гауссу второго уровня, а при работе на скорости 2 Mbps — четвёртого уровня.

Метод DSSS использует технологию модуляции Phase Shift Keying (PSK). При этом на скорости 1 Mbps используется дифференциальная двоичная PSK, а на скорости 2 Mbps — дифференциальная квадратичная PSK модуляция.

Заголовки физического уровня всегда передаются на скорости 1 Mbps, в то время как данные могут передаваться со скоростями 1 и 2 Mbps.

Метод передачи в инфракрасном диапазоне (IR)

Реализация этого метода в стандарте 802.11 основана на излучении ИК передатчиком ненаправленного (diffuse IR) сигнала. Вместо направленной передачи, требующей соответствующей ориентации излучателя и приёмника, передаваемый ИК сигнал излучается в потолок. Затем происходит отражение сигнала и его приём. Такой метод имеет очевидные преимущества по сравнению с использованием направленных излучателей, однако есть и существенные недостатки — требуется потолок, отражающий ИК излучение в заданном диапазоне длин волн (850 — 950 нм); радиус действия всей системы ограничен 10 метрами. Кроме того, ИК лучи чувствительны к погодным условиям, поэтому метод рекомендуется применять только внутри помещений.

Поддерживаются две скорости передачи данных — 1 и 2 Mbps. На скорости 1 Mbps поток данных разбивается на квартеты, каждый из которых затем во время модуляции кодируется в один из 16-ти импульсов. На скорости 2 Mbps метод модуляции немного отличается — поток данных делится на битовые пары, каждая из которых модулируется в один из четырёх импульсов. Пиковая мощность передаваемого сигнала составляет 2 Вт.

Метод FHSS

При использовании метода частотных скачков полоса 2,4 ГГц делится на 79 каналов по 1 МГц. Отправитель и получатель согласовывают схему переключения каналов (на выбор имеется 22 таких схемы), и данные посылаются последовательно по различным каналам с использованием этой схемы. Каждая передача данных в сети 802.11 происходит по разным схемам переключения, а сами схемы разработаны таким образом, чтобы минимизировать шансы того, что два отправителя будут использовать один и тот же канал одновременно.

Метод FHSS позволяет использовать очень простую схему приёмопередатчика, однако ограничен максимальной скоростью 2 Mbps. Это ограничение вызвано тем, что под один канал выделяется ровно 1 МГц, что вынуждает FHSS системы использовать весь диапазон 2,4 ГГц. Это означает, что должно происходить частое переключение каналов (например, в США установлена минимальная скорость 2,5 переключения в секунду), что, в свою очередь, приводит к увеличению накладных расходов.

Метод DSSS

Метод DSSS делит диапазон 2,4 ГГц на 14 частично перекрывающихся каналов (в США доступно только 11 каналов). Для того, чтобы несколько каналов могли использоваться одновременно в одном и том же месте, необходимо, чтобы они отстояли друг от друга на 25 МГц (не перекрывались), для исключения взаимных помех. Таким образом, в одном месте может одновременно использоваться максимум 3 канала. Данные пересылаются с использованием одного из этих каналов без переключения на другие каналы. Чтобы компенсировать посторонние шумы, используется 11-ти битная последовательность Баркера, когда каждый бит данных пользователя преобразуется в 11 бит передаваемых данных. Такая высокая избыточность для каждого бита позволяет существенно повысить надёжность передачи, при этом значительно снизив мощность передаваемого сигнала. Даже если часть сигнала будет утеряна, он в большинстве случаев всё равно будет восстановлен. Тем самым минимизируется число повторных передач данных.

Изменения, внесённые 802.11b

Основное дополнение, внесённое 802.11b в основной стандарт — это поддержка двух новых скоростей передачи данных — 5,5 и 11 Mbps. Для достижения этих скоростей был выбран метод DSSS, так как метод частотных скачков в силу ограничений FCC не может поддерживать более высокие скорости. Из этого следует, что системы 802.11b будут совместимы с DSSS системами 802.11, но не будут работать с системами FHSS 802.11.

Для поддержки очень зашумлённых сред, а также работы на больших расстояниях, сети 802.11b используют динамический сдвиг скорости, который позволяет автоматически изменять скорость передачи данных в зависимости от свойств радиоканала. Например, пользователь может подключиться с максимальной скоростью 11 Mbps, но в том случае, если повысится уровень помех, или пользователь удалится на большое расстояние, мобильное устройство начнёт передавать на меньшей скорости — 5,5, 2 или 1 Mbps. В том случае, если возможна устойчивая работа на более высокой скорости, мобильное устройство автоматически начнёт передавать с более высокой скоростью. Сдвиг скорости — механизм физического уровня, и является прозрачным для вышестоящих уровней и пользователя.

Канальный (Data Link) уровень 802.11

Канальный уровень 802.11 состоит из двух подуровней: управления логической связью (Logical Link Control, LLC) и управления доступом к носителю (Media Access Control, MAC). 802.11 использует тот же LLC и 48-битовую адресацию, что и другие сети 802, что позволяет легко объединять беспроводные и проводные сети, однако MAC уровень имеет кардинальные отличия.

MAC уровень 802.11 очень похож на реализованный в 802.3, где он поддерживает множество пользователей на общем носителе, когда пользователь проверяет носитель перед доступом к нему. Для Ethernet сетей 802.3 используется протокол Carrier Sence Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD), который определяет, как станции Ethernet получают доступ к проводной линии, 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, поэтому в беспроводных сетях 802.11 станция не может обнаружить коллизию во время передачи.

Чтобы учесть это отличие, 802.11 использует модифицированный протокол, известный как Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), или Distributed Coordination Function (DCF). CSMA/CA пытается избежать коллизий путём использования явного подтверждения пакета (ACK), что означает, что принимающая станция посылает ACK пакет для подтверждения того, что пакет получен неповреждённым.

CSMA/CA работает следующим образом. Станция, желающая передавать, тестирует канал, и если не обнаружено активности, станция ожидает в течение некоторого случайного промежутка времени, а затем передаёт, если среда передачи данных всё ещё свободна. Если пакет приходит целым, принимающая станция посылает пакет ACK, по приёме которого отправителем завершается процесс передачи. Если передающая станция не получила пакет ACK, в силу того, что не был получен пакет данных, или пришёл повреждённый ACK, делается предположение, что произошла коллизия, и пакет данных передаётся снова через случайный промежуток времени.

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 (RSSI). Если мощность принятого сигнала ниже определённого порога, то канал объявляется свободным, и MAC уровень получает статус CTS. Если мощность выше порогового значения, передача данных задерживается в соответствии с правилами протокола. Стандарт предоставляет ещё одну возможность определения незанятости канала, которая может использоваться либо отдельно, либо вместе с измерением RSSI — метод проверки несущей. Этот метод является более выборочным, так как с его помощью производится проверка на тот же тип несущей, что и по спецификации 802.11. Наилучший метод для использования зависит от того, каков уровень помех в рабочей области.

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.

Рис. 4. Иллюстрация проблемы "скрытой точки".

Другая специфичная проблема MAC-уровня — это проблема "скрытой точки", когда две станции могут обе "слышать" точку доступа, но не могут "слышать" друг друга, в силу большого расстояния или преград (рис. 4). Для решения этой проблемы в 802.11 на MAC уровне добавлен необязательный протокол Request to Send/Clear to Send (RTS/CTS). Когда используется этот протокол, посылающая станция передаёт RTS и ждёт ответа точки доступа с CTS. Так как все станции в сети могут "слышать" точку доступа, сигнал CTS заставляет их отложить свои передачи, что позволяет передающей станции передать данные и получить ACK пакет без возможности коллизий. Так как RTS/CTS добавляет дополнительные накладные расходы на сеть, временно резервируя носитель, он обычно используется только для пакетов очень большого объёма, для которых повторная передача была бы слишком дорогостоящей.

Наконец, MAC уровень 802.11 предоставляет возможность расчёта CRC и фрагментации пакетов. Каждый пакет имеет свою контрольную сумму CRC, которая рассчитывается и прикрепляется к пакету. Здесь наблюдается отличие от сетей Ethernet, в которых обработкой ошибок занимаются протоколы более высокого уровня (например, TCP). Фрагментация пакетов позволяет разбивать большие пакеты на более маленькие при передаче по радиоканалу, что полезно в очень "заселённых" средах или в тех случаях, когда существуют значительные помехи, так как у меньших пакетов меньше шансы быть повреждёнными. Этот метод в большинстве случаев уменьшает необходимость повторной передачи и, таким образом, увеличивает производительность всей беспроводной сети. MAC уровень ответственен за сборку полученных фрагментов, делая этот процесс "прозрачным" для протоколов более высокого уровня.

Подключение к сети

MAC уровень 802.11 несёт ответственность за то, каким образом клиент подключается к точке доступа. Когда клиент 802.11 попадает в зону действия одной или нескольких точек доступа, он на основе мощности сигнала и наблюдаемого значения количества ошибок выбирает одну из них и подключается к ней. Как только клиент получает подтверждение того, что он принят точкой доступа, он настраивается на радиоканал, в котором она работает. Время от времени он проверяет все каналы 802.11, чтобы посмотреть, не предоставляет ли другая точка доступа службы более высокого качества. Если такая точка доступа находится, то станция подключается к ней, перенастраиваясь на её частоту (рис. 5).

Рис. 5. Подключение к сети и иллюстрация правильного назначения каналов для точек доступа.

Переподключение обычно происходит в том случае, если станция была физически перемещена вдаль от точки доступа, что вызвало ослабление сигнала. В других случаях повторное подключение происходит из-за изменения радиочастотных характеристик здания, или просто из-за большого сетевого трафика через первоначальную точку доступа. В последнем случае эта функция протокола известна как "балансировка нагрузки", так как её главное назначение — распределение общей нагрузки на беспроводную сеть наиболее эффективно по всей доступной инфраструктуре сети.

Процесс динамического подключения и переподключения позволяет сетевым администраторам устанавливать беспроводные сети с очень широким покрытием, создавая частично перекрывающиеся "соты". Идеальным вариантом является такой, при котором соседние перекрывающиеся точки доступа будут использовать разные DSSS каналы, чтобы не создавать помех в работе друг другу (Рис. 5).

Поддержка потоковых данных

Потоковые данные, такие как видео или голос, поддерживаются в спецификации 802.11 на MAC уровне посредством Point Coordination Function (PCF). В противоположность Distributed Coordination Function (DCF), где управление распределено между всеми станциями, в режиме PCF только точка доступа управляет доступом к каналу. В том случае, если установлен BSS с включенной PCF, время равномерно распределяется промежутками для работы в режиме PCF и в режиме CSMA/CA. Во время периодов, когда система находится в режиме PCF, точка доступа опрашивает все станции на предмет получения данных. На каждую станцию выделяется фиксированный промежуток времени, по истечении которого производится опрос следующей станции. Ни одна из станций не может передавать в это время, за исключением той, которая опрашивается. Так как PCF даёт возможность каждой станции передавать в определённое время, то гарантируется максимальная латентность. Недостатком такой схемы является то, что точка доступа должна производить опрос всех станций, что становится чрезвычайно неэффективным в больших сетях.

Управление питанием

Дополнительно по отношению к управлению доступом к носителю, MAC уровень 802.11 поддерживает энергосберегающие режимы для продления срока службы батарей мобильных устройств. Стандарт поддерживает два режима потребления энергии, называемые "режим продолжительной работы" и "сберегающий режим". В первом случае радио всегда находится во включенном состоянии, в то время как во втором случае радио периодически включается через определённые промежутки времени для приёма "маячковых" сигналов, которые постоянно посылает точка доступа. Эти сигналы включают в себя информацию относительно того, какая станция должна принять данные. Таким образом, клиент может принять маячковый сигнал, принять данные, а затем вновь перейти в "спящий" режим.

Безопасность

802.11b обеспечивает контроль доступа на MAC уровне (второй уровень в модели ISO/OSI), и механизмы шифрования, известные как Wired Equivalent Privacy (WEP), целью которых является обеспечение беспроводной сети средствами безопасности, эквивалентными средствам безопасности проводных сетей. Когда включен WEP, он защищает только пакет данных, но не защищает заголовки физического уровня, так что другие станции в сети могут просматривать данные, необходимые для управления сетью. Для контроля доступа в каждую точку доступа помещается так называемый ESSID (или WLAN Service Area ID), без знания которого мобильная станция не сможет подключиться к точке доступа. Дополнительно точка доступа может хранить список разрешённых MAC адресов, называемый списком контроля доступа (Access Control List, ACL), разрешая доступ только тем клиентам, чьи MAC адреса находятся в списке.

Для шифрования данных стандарт предоставляет возможности шифрования с использованием алгоритма RC4 с 40-битным разделяемым ключом. После того, как станция подключается к точке доступа, все передаваемые данные могут быть зашифрованы с использованием этого ключа. Когда используется шифрование, точка доступа будет посылать зашифрованный пакет любой станции, пытающейся подключиться к ней. Клиент должен использовать свой ключ для шифрования корректного ответа для того, чтобы аутентифицировать себя и получить доступ в сеть. Выше второго уровня сети 802.11b поддерживают те же стандарты для контроля доступа и шифрования (например, IPSec), что и другие сети 802.

Безопасность для здоровья

Так как мобильные станции и точки доступа являются СВЧ устройствами, у многих возникают вопросы по поводу безопасности использования компонентов Wave LAN. Известно, что чем выше частота радиоизлучения, тем опаснее оно для человека. В частности, известно, что если посмотреть внутрь прямоугольного волновода, передающего сигнал частотой 10 или более ГГц, мощностью около 2 Вт, то неминуемо произойдёт повреждение сетчатки глаза, даже если продолжительность воздействия составит менее секунды. Антенны мобильных устройств и точек доступа являются источниками высокочастотного излучения, и хотя мощность излучаемого сигнала очень невелика, всё же не следует находиться в непосредственной близости от работающей антенны. Как правило, безопасным расстоянием является расстояние порядка десятков сантиметров от приёмо-передающих частей. Более точное значение можно найти в руководстве к конкретному прибору.

Дальнейшее развитие

В настоящее время разрабатываются два конкурирующих стандарта на беспроводные сети следующего поколения — стандарт IEEE 802.11a и европейский стандарт HIPERLAN-2. Оба стандарта работают во втором ISM диапазоне, использующем полосу частот в районе 5 ГГц. Заявленная скорость передачи данных в сетях нового поколения составляет 54 Mbps.

Производители устройств 802.11b

На сегодняшний день наиболее известными и популярными производителями на рынке WaveLAN решений являются компании Lucent (серия ORiNOCO) и Cisco (серия Aironet). Помимо них существует достаточно большое количество компаний, производящих 802.11b совместимое оборудование. К их числу можно отнести такие компании, как 3Com (серия 3Com AirConnect), Samsung, Compaq, Symbol, Zoom Telephonics и пр. В следующей части статьи мы рассмотрим характеристики серий ORiNOCO компании Lucent и Aironet компании Cisco, а затем произведём тестирование обоих серий.

Ссылки

• — Рабочая группа 802.11
• — WaveLAN на Украине
• — Обзоры, тестирование WaveLAN, правовая информация

WPAN (Wireless Personal Area Network) - беспроводная сеть, предназначенная для организации беспроводной связи между различного типа устройствами на ограниченной площади (например, в рамках квартиры, офисного рабочего места). Стандарты, определяющие методы функционирования сети, описаны в семействе спецификаций IEEE 802.15. Это - Bluetooth (IEEE 802.15.1) и два наиболее перспективных стандарта ZigBee и 802.15.3 (Рис. 6.7).

Рис. 6.7. Стандарт IEEE 802.15

Bluetooth (IEEE 802.15.1)

Bluetooth или блютуc (/bluːtuːθ/, переводится как синий зуб , в честь Харальда I Синезубого ) - производственная спецификация беспроводных персональных сетей (англ. Wireless personal area network, WPAN ). Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе от 10 до 100 метров друг от друга (дальность очень сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

История создания и развития

Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) , которая была основана в 1998 году. В неё вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии Bluetooth SIG и IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стало частью стандарта IEEE 802.15.1 (дата опубликования - 14 июня 2002 года). Работы по созданию Bluetooth компания Ericsson Mobile Communication начала в 1994 году. Первоначально эта технология была приспособлена под потребности системы FLYWAY в функциональном интерфейсе между путешественниками и системой.

Компания AIRcable выпустила Bluetooth-адаптер Host XR с радиусом действия около 30 км.

Спецификации

Bluetooth 1.0. Устройства версий 1.0 (1998) и 1.0B имели плохую совместимость между продуктами различных производителей. В 1.0 и 1.0B была обязательной передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи, что делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и было основным недостатком данной спецификации.

Bluetooth 1.1. В Bluetooth 1.1 было исправлено множество ошибок, найденных в 1.0B, добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI).

Bluetooth 1.2. В версии 1.2 была добавлена технология адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH), что улучшило сопротивляемость к электромагнитной интерференции (помехам) путём использования разнесённых частот в последовательности перестройки. Также увеличилась скорость передачи и добавилась технология eSCO, которая улучшала качество передачи голоса путём повторения повреждённых пакетов. В HCI добавилась поддержка трёх-проводного интерфейса UART.

Главные улучшения включают следующее:

Быстрое подключение и обнаружение;

Адаптивная перестройки частоты с расширенным спектром (AFH), которая повышает стойкость к радиопомехам;

Более высокие скорости чем в 1.1 передачи данных, практически до 721 кбит/с;

Расширенные Синхронные Подключения (eSCO), которые улучшают качество передачи голоса в аудиопотоке, позволяя повторную передачу повреждённых пакетов, и при необходимости могут увеличить задержку аудио, чтобы оказать лучшую поддержку для параллельной передачи данных;

В Host Controller Interface (HCI) добавлена поддержка трёх-проводного интерфейса UART;

Утверждён как стандарт IEEE Standard 802.15.1-2005 ;

Введены режимы управления потоком данных (Flow Control) и повторной передачи (Retransmission Modes) для L2CAP.

Bluetooth 2.0 + EDR. Bluetooth версии 2.0 был выпущен 10 ноября 2004 г. Имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка EDR (Enhanced Data Rate) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR около 3 Мбит/с, однако на практике это позволило повысить скорость передачи данных только до 2,1 Мбит/с. Дополнительная производительность достигается с помощью различных радио технологий для передачи данных.

Стандартная (или Базовая) скорость передачи данных использует Гауссово Кодирование со сдвигом частот (GFSK) модуляцию радио сигнала, при скорости передачи в 1 Мбит/с. EDR использует сочетание GFSK и PSK-модуляцию с двумя вариантами, π/4-DQPSK и 8DPSK. Они имеют большие скорости передачи данных по воздуху 2- и 3 Mбит/с соответственно.

Bluetooth SIG издала спецификацию как «Технология Bluetooth 2.0 + EDR», которая подразумевает, что EDR является дополнительной функцией. Кроме EDR есть и другие незначительные усовершенствования к 2.0 спецификации, и продукты могут соответствовать «Технологии Bluetooth 2.0», не поддерживая более высокую скорость передачи данных. По крайней мере одно коммерческое устройство, HTC TyTN Pocket PC, использует «Bluetooth 2.0 без EDR» в своих технических спецификациях.

Согласно 2.0 + EDR спецификации, EDR обеспечивает следующие преимущества:

Увеличение скорости передачи в 3 раза (2.1 Мбит/с) в некоторых случаях;

Уменьшение сложности нескольких одновременных подключений из-за дополнительной полосы пропускания;

Более низкое потребление энергии благодаря уменьшению нагрузки.

Bluetooth 2.1. В 2007 году добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства (для дополнительной фильтрации списка при сопряжении), энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3-10 раз. Кроме того обновлённая спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, а также делает указанные соединения более защищёнными, благодаря использованию технологии Near Field Communication.

Bluetooth 2.1 + EDR. В августе 2008 года Bluetooth SIG представил версию 2.1+EDR. Новая редакция Bluetooth снижает потребление энергии в 5 раз, повышает уровень защиты данных и облегчает распознавание и соединение Bluetooth-устройств благодаря уменьшению количества шагов за которые оно выполняется.

Bluetooth 3.0 + HS. 3.0 + HS спецификация была принята Bluetooth SIG 21 апреля 2009 года. Она поддерживает теоретическую скорость передачи данных до 24 Мбит/с. Её основной особенностью является добавление AMP (Асимметричная Мультипроцессорная Обработка) (альтернативно MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Две технологии были предусмотрены для AMP: 802.11 и UWB, но UWB отсутствует в спецификации.

Модули с поддержкой новой спецификации соединяют в себе две радиосистемы: первая обеспечивает передачу данных в 3 Мбит/с (стандартная для Bluetooth 2.0) и имеет низкое энергопотребление; вторая совместима со стандартом 802.11 и обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с (сравнима со скоростью сетей Wi-Fi). Выбор радиосистемы для передачи данных зависит от размера передаваемого файла. Небольшие файлы передаются по медленному каналу, а большие - по высокоскоростному. Bluetooth 3.0 использует более общий стандарт 802.11 (без суффикса), то есть не совместим с такими спецификациями Wi-Fi, как 802.11b/g или 802.11n.

Bluetooth 4.0. В декабре 2009 года Bluetooth SIG анонсировала стандарт Bluetooth 4.0. Технология, прежде всего, предназначена для миниатюрных электронных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажёрах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т. д.).

В Bluetooth 4.0 достигается низкое энергопотребление за счёт использования специального алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт предоставляет скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8-27 байт. В новой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 миллисекунд и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а обеспечивает необходимый уровень безопасности 128-битное AES-шифрование.

Сенсоры температуры, давления, влажности, скорости передвижения и т. д. на базе этого стандарта могут передавать информацию на различные устройства контроля: мобильные телефоны, КПК, ПК и т. п.

Первый чип с поддержкой Bluetooth 3.0 и Bluetooth 4.0 был выпущен компанией ST-Ericsson в конце 2009 года. Массовый выпуск Bluetooth-модулей ожидается в I квартале 2010 года.

Архитектура Bluetooth

Основу Bluetooth составляет пикосеть (piconet), состоящая из одного главного узла и нескольких (до семи) подчиненных узлов, расположенных в радиусе 10 м. В одной и той же комнате, если она достаточно большая, могут располагаться несколько пикосетей. Более того, они могут даже связываться друг с другом посредством моста (специального узла), как показано на рис. 6.8. Несколько объединенных вместе пикосетей составляют рассеянную сеть (scatternet).

Рис. 6.8. Две пикосети могут, соединившись, сформировать рассеянную сеть

Помимо семи активных подчиненных узлов, один главный узел может поддерживать до 255 так называемых отдыхающих узлов. Это устройства, которые главный узел перевел в режим пониженного энергопотребления - за счет этого продлевается ресурс их источников питания. В таком режиме узел может только отвечать на запросы активации или на сигнальные последовательности от главного узла. Существуют еще два промежуточных режима энергопотребления - приостановленный и анализирующий, но мы их сейчас рассматривать не будем.

Такое решение с главным и подчиненным узлами оказалось очень простым и дешевым в реализации (вся микросхема Bluetooth стоит менее $5). Поскольку этого и добивались разработчики, такой вариант и был принят. Последствием этого является то, что подчиненные узлы получились очень неразговорчивыми - они лишь выполняют то, что им прикажет главный узел. В основе пикосетей лежит принцип централизованной системы с временным уплотнением. Главный узел контролирует временные интервалы и распределяет очередность передачи данных каждым из подчиненных узлов. Связь существует только между подчиненным и главным узлами. Прямой связи между подчиненными узлами нет.

Принцип действия Bluetooth

Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine ), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,4835 ГГц). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (англ. Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS ). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование стоит недорого.

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса у́же - 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно. Без помехоустойчивого кодирования это обеспечивает передачу данных со скоростями 723,2 кбит/с с обратным каналом 57,6 кбит/с, или 433,9 кбит/c в обоих направлениях.

Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «point-to-point», но и соединение «point-to-multipoint».

Приложения Bluetooth

Большинство сетевых протоколов просто предоставляют каналы связи между коммуникационными единицами и оставляют прикладное использование этих каналов на усмотрение разработчиков. Например, в стандарте 802.11 ничего не говорится о том, что пользователи должны использовать свои ноутбуки для чтения электронной почты, работы в Интернете и т. п. В противоположность этому спецификация Bluetooth VI.1 называет 13 конкретных поддерживаемых приложений и для каждого из них предоставляет свой набор протоколов. К сожалению, это приводит к сильному усложнению системы, поэтому многие детали в нашем описании мы вынуждены опустить. Тринадцать приложений, называемые профилями, перечислены в табл. 4.4. Из этой таблицы становятся понятны цели, которые ставили перед собой разработчики системы.

Таблица 4.4. Профили Bluetooth

Название	Описание
Общий доступ	Процедуры управления связью
Определение сервиса	Протокол для определения предлагаемых сервисов
Последовательный порт	Альтернатива кабелю последовательного порта
Общий объектный обмен	Определяет клиент-серверные взаимоотношения при передаче объектов
Доступ к ЛВС	Протокол связи между мобильным компь ютером и стационарной ЛВС
Удаленный доступ	Позволяет ноутбуку получать удаленный доступ посредством мобильного телефона
Факс	Позволяет мобильному факсу связываться с мобильным телефоном
Беспроводная телефония	Связывает трубку с локальной базовой станцией
Intercom	Цифровые переносные рации
Гарнитура	Обеспечивает связь устройств hands-free с телефонами
Передача объектов	Обеспечивает обмен простыми объектами
Передача файлов	Предоставляет легкий способ пересылки файлов
Синхронизация	Позволяет PDA синхронизироваться с другим компьютером

Профиль группового доступа на самом деле не является приложением. Это скорее та основа, на которой строятся реальные приложения. Его главная задача состоит в обеспечении установки и поддержки защищенной от несанкционированного доступа связи (создании канала) между главным и подчиненным узлами. Также довольно общим является профиль определения сервиса, используемый для определения того, какие сервисы могут быть предоставлены другими устройствами. Вся аппаратура системы Bluetooth должна поддерживать два описанных ранее профиля. Все прочие являются необязательными.

Профиль последовательного порта - это транспортный протокол, который используется большинством других профилей. Он эмулирует последовательный канал и особенно полезен при работе с приложениями, которым требуется этот канал.

Профиль общего объектного обмена определяет клиент-серверные взаимоотношения, возникающие при обмене данными. Клиенты инициируют операции, но подчиненная станция может выступать либо в роли клиента, либо в роли сервера. Как и профиль последовательного порта, это один из кирпичиков, из которых строятся другие профили.

Следующая группа, состоящая из трех профилей, имеет отношение к сетям. Профиль доступа к ЛВС позволяет устройству Bluetooth подсоединиться к стационарной вычислительной сети. Этот профиль является самым настоящим конкурентом стандарта 802.11. Профиль удаленного доступа был, собственно говоря, тем, ради чего изначально был задуман весь проект. Он позволяет ноутбуку соединяться с мобильным телефоном, имеющим встроенный модем, без использования проводов. Профиль «Факс» похож на предыдущий с той разницей, что он позволяет беспроводным факс-машинам отсылать и получать факсы при помощи мобильного телефона. Опять же, никакие провода для связи между устройствами не требуются.

Следующие три профиля относятся к телефонии. Профиль беспроводной телефонии обеспечивает связь телефонной трубки с базой. Сейчас домашний телефон не может использоваться в качестве мобильного, даже если он не имеет совсем никаких проводов, однако в будущем, надо полагать, эти два устройства будут объединены. Профиль Intercom позволяет двум телефонам соединяться друг с другом наподобие раций. Наконец, последний профиль этой группы представляет собой приложение, позволяющее устройствам hands-free держать связь с базой (телефоном). Это удобно, например, при управлении автомобилем.

Оставшиеся три профиля предназначены для организации обмена объектами (данными) между беспроводными устройствами. Объекты могут представлять собой электронные визитные карточки, изображения или файлы с данными. В частности, профиль синхронизации предназначен для загрузки данных в PDA или ноутбук, когда владелец этих устройств, например, выходит из дома. После возвращения данные можно извлечь.

Неужели действительно необходимо было так подробно описывать в стандарте все приложения и предоставлять наборы протоколов для каждого из них? Может быть, и нет, но было создано довольно много рабочих групп, занимавшихся различными аспектами применения системы. Каждая рабочая группа разработала свой профиль. Считайте это демонстрацией закона Конвея в действии. (В апреле 1968 года в журнале Datamation была опубликована статья Мелвина Конвея (Melvin Conway), в которой утверждалось, что если поручить написание компилятора п программистам, то получится /г-проходный компилятор. В более общем виде эта мысль звучит так: структура программного обеспечения отражает структуру группы разработчиков.) Наверное, можно было обойтись не тринадцатью, а двумя наборами протоколов (один для передачи файлов и один для передачи данных в реальном масштабе времени).

Bluetooth: набор протоколов

Стандарт Bluetooth включает в себя множество протоколов, довольно свободно разбитых на уровни. Структура стека протоколов не следует ни модели OSI, ни TCP/IP, ни 802, ни какой-либо другой известной модели. Тем не менее IEEE работает над тем, чтобы как-то вписать Bluetooth в модель 802. Базовая архитектура протоколов в модифицированном комитетом 802 виде представлена на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Архитектура протоколов Bluetooth: версия 802.15

В самом низу находится физический (радиотехнический) уровень, который вполне соответствует представлениям моделей OSI и 802 о том, каким должен быть этот уровень. На нем описываются радиосвязь и применяемые методы модуляции. Многое здесь направлено на то, чтобы сделать систему как можно дешевле и доступнее массовому покупателю.

Уровень немодулированной передачи чем-то напоминает подуровень MAC, но включает в себя и некоторые элементы физического уровня. Здесь описывается то, как главный узел управляет временными интервалами и как эти интервалы группируются в кадры.

Далее следует уровень, содержащий группу связанных между собой протоколов. Протокол управления соединением устанавливает логические каналы между устройствами, управляет режимами энергопотребления, идентификацией, а также качеством предоставляемых услуг. Подуровень адаптации протоколов управления логическими соединениями (часто называемый L2CAP) скрывает от верхних уровней технические детали нижних уровней. Его можно считать аналогом обычного подуровня LLC из семейства стандартов 802. Однако устроен он по-другому. Аудиопротоколы и протоколы управления, как следует из их названия, занимаются соответственно передачей звука и управлением. Приложения могут обращаться к ним напрямую, минуя протокол L2CAP.

Следующий уровень называется связующим, он содержит множество разнообразных протоколов. Для совместимости с сетями 802.x IEEE поместил сюда, например, LLC. Впрочем, протоколы высокочастотной (ВЧ) связи, телефонии и определения сервисов всегда принадлежали Bluetooth. Протокол ВЧ-связи эмулирует работу стандартного последовательного порта ПК, к которому обычно подключаются клавиатура, мышь, модем и другие устройства. Он позволяет последователям этих традиционных устройств нетрадиционно обходиться без проводов. Протокол телефонии является протоколом, работающим в реальном масштабе времени. Он используется тремя соответствующими профилями, ориентированными на передачу речи. В его задачи входят установка и разрыв телефонного соединения. Наконец, протокол определения сервисов используется для поиска доступных в сети сервисов.

На самом верхнем уровне находятся приложения и профили. Они работают с протоколами нижних уровней, которые обеспечивают их функционирование. Каждому приложению сопоставлен свой набор протоколов. Специфические устройства типа гарнитур используют только те протоколы, которые необходимы для их работы.

Bluetooth: уровень радиосвязи

Уровень радиосвязи переносит информацию бит за битом от главного узла к подчиненным и обратно. В реальности это маломощная приемопередающая система с радиусом действия порядка 10 м. Она работает в нелицензируемом диапазоне 2,4 ГГц. Диапазон разделен на 79 каналов по 1 МГц в каждом. В качестве метода модуляции применяется частотная манипуляция с 1 битом на герц, что дает суммарную скорость 1 Мбит/с. Однако большая часть спектра занята служебной информацией. Для распределения каналов применяется расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (1600 скачков частоты в секунду, время пребывания - 625 мкс). Все узлы пикосетей перестраивают частоты одновременно; последовательность частот генерируется главным узлом.

Поскольку сети 802.11 и Bluetooth работают в одном и том же нелицензируемом диапазоне 2,4 ГГц на одних и тех же 79 каналах, то, естественно, они интерферируют друг с другом. Однако Bluetooth развивается гораздо стремительнее 802.11, и похоже, что именно Bluetooth будет хоронить 802.11, а не наоборот. Но и 802.11, и 802.15 являются стандартами IEEE, и конечно, IEEE пытается найти какой-нибудь выход из этой пикантной ситуации. Но это не такая простая задача, как кажется: дело в том, что обе системы используют данный диапазон по той причине, что он не подлежит лицензированию. Стандарт 802.11а работает в другом нелицензируемом диапазоне (5 ГГц), но он гораздо уже, благодаря физическим свойствам радиоволн. Так что 802.11а оказывается далеко не панацеей от всех случаев. Некоторые компании решили проблему радикально: они просто предали Bluetooth анафеме. Решение вполне в духе рыночных отношений: более сильная (в политическом и экономическом, а не техническом смысле) технология требует от более слабой изменить свой стандарт таким образом, чтобы она не мешалась под ногами.

Bluetooth: уровень немодулированной передачи

Уровень немодулированной передачи - это наиболее близкий к МАС-подуровню элемент иерархии Bluetooth. Он трансформирует простой поток бит в кадры и определяет некоторые ключевые форматы. В простейшем случае главный узел каждой пикосети выдает последовательности временных интервалов по 625 мкс, причем передача данных со стороны главного узла начинается в четных тактах, а со стороны подчиненных узлов - в нечетных. Это, по сути дела, традиционное временное уплотнение, в котором главная сторона получает одну половину временных интервалов, а подчиненные делят между собой вторую. Кадры могут быть длиной 1, 3 или 5 тактов.

Тактирование со скачкообразным изменением частоты отводит на успокоение системы 250-260 мкс при каждом скачке. Время успокоения можно и уменьшить, но цена за это довольно велика. В кадре, состоящем из одного такта, после успокоения системы остается время на передачу 366 из 625 бит. Из них 126 бит уходит на код доступа и заголовок. Остается 240 бит полезной информации на кадр. Если совместить пять временных интервалов в один кадр, понадобится всего один период успокоения системы, поэтому из 5 625 = 3125 бит доступны 2781 бит на уровне немодулированной передачи. Получается, что длинные кадры эффективнее однотактовых.

Все кадры передаются между главным и подчиненными узлами по логическому каналу, называемому соединением. Существует два типа соединений. Первый называется ACL (Asynchronous Connectionless - асинхронный без установления связи), он используется для коммутации пакетов данных, которые могут появиться в произвольный момент времени. Такие данные появляются с уровня L2CAP на передающей стороне и доставляются на тот же уровень на принимающей стороне. Трафик ACL доставляется по принципу максимальных прилагаемых усилий для обеспечения сервиса. Никаких гарантий не дается. Кадры могут теряться и пересылаться повторно. У подчиненного узла может быть только одно ACL-соединение со своим главным узлом.

Второй вид соединения называется SCO (Synchronous Connection Oriented - синхронный с установлением связи). Он предназначен для передачи данных в реальном масштабе времени - это требуется, например, при телефонных разговорах. Такой тип канала получает фиксированный временной интервал для передачи в каждом из направлений. Из-за критичной ко времени передачи природы SCO кадры, переданные по данному типу канала, никогда не пересылаются заново. Вместо этого может быть использована прямая коррекция ошибок, обеспечивающая более надежное соединение. У подчиненного узла может быть до трех соединений типа SCO с главным узлом, каждое из которых представляет собой аудиоканал РСМ с пропускной способностью 64 000 бит/с.

Bluetooth: уровень L2CAP

Уровень L2CAP выполняет три основные функции. Во-первых, он принимает пакеты размером до 64 Кбайт с верхних уровней и разбивает их на кадры для передачи по физическому каналу. На противоположном конце этот же уровень протоколов используется для обратного действия - объединения кадров в пакеты.

Во-вторых, L2CAP занимается мультиплексированием и демультиплексированием множества источников пакетов. После сборки пакета он определяет, куда следует направить пакет (например, на протоколу ВЧ-связи или телефонии).

В-третьих, L2CAP отвечает за качество обслуживания как во время передачи, так и во время ожидания. Во время установления соединения он договаривается о максимально разрешенном количестве передаваемой полезной информации, что позволяет избежать заваливания данными устройства, которому приходится работать с маленькими пакетами. Это действие необходимо потому, что далеко не все участники сети могут работать с 64-килобайтными пакетами.

Bluetooth: структура кадра

Существует несколько форматов кадров, наиболее важный из которых показан на рис. 6.10. В начале кадра указывается код доступа, который обычно служит идентификатором главного узла. Это позволяет двум главным узлам, которые расположены достаточно близко, чтобы «слышать» друг друга, различать, кому из них предназначаются данные. Затем следует 54-битный заголовок, в котором содержатся поля, характерные для кадра подуровня MAC. Далее расположено поле данных, размер которого ограничен 2744 битами (для передачи из пяти тактов). Если кадр имеет длину, соответствующую одному тактовому интервалу, то формат остается таким же, с той разницей, что поле данных в этом случае составляет 240 бит.

Рис. 6.10. Типичный информационный кадр Bluetooth

Рассмотрим, из чего состоит заголовок кадра. Поле Адрес идентифицирует одно из восьми устройств, которому предназначена информация. Поле Тип определяет тип передаваемого кадра (ACL, SCO, опрос или пустой кадр), метод коррекции ошибок и количество временных интервалов, из которых состоит кадр. Бит F (Flow - поток) выставляется подчиненным узлом и сообщает о том, что его буфер заполнен. Это такая примитивная форма управления потоком. Бит А (Acknowledgement - подтверждение) представляет собой подтверждение (АСК), отсылаемое заодно с кадром. Бит S (Sequence - последовательность) используется для нумерации кадров, что позволяет обнаруживать повторные передачи.

Это протокол с ожиданием, поэтому 1 бита действительно оказывается достаточно. Далее следует 8-битная контрольная сумма заголовка. Весь 18-битный заголовок кадра повторяется трижды, что в итоге составляет 54 бита, как показано на рис. 6.10. На принимающей стороне несложная схема анализирует все три копии каждого бита. Если они совпадают, бит принимается таким, какой он есть. В противном случае все решает большинство. Как видите, на передачу 10 бит тратится в данном случае 54 бита. Причина очень проста: за все нужно платить. За обеспечение передачи данных с помощью дешевых маломощных устройств (2,5 мВт) с невысокими вычислительными способностями приходится платить большой избыточностью.

В кадрах ACL применяются разные форматы поля данных. Самый простой формат - в кадрах SCO: длина поля данных всегда равна 240 бит. Возможны три варианта: 80, 160 или 240 бит полезной информации. При этом оставшиеся биты поля данных используются для исправления ошибок. Самая надежная версия (80 бит полезной информации) устроена очень просто: одно и то же содержимое повторяется три раза (что и составляет 240 бит). То есть метод здесь применяется тот же, что и в заголовке кадра.

Поскольку подчиненные узлы могут использовать только нечетные временные интервалы, им достается 800 интервалов в секунду. Столько же получает и главный узел. При 80 битах полезных данных, передающихся в одном кадре, емкость канала подчиненного узла равна 64 000 бит/с. Этому же значению равна и емкость канала главного узла. Этого как раз хватает для организации полнодуплексного РСМ-канала голосовой связи (именно поэтому 1600 скачков в секунду было выбрано в качестве скорости перестройки частот). Все эти цифры говорят о том, что полнодуплексный канал со скоростью 64 000 бит/с в каждую сторону при самом надежном способе передачи информации вполне устраивает пикосеть, невзирая на то, что суммарная скорость передачи данных на физическом уровне равна 1 Мбит/с. При самом ненадежном варианте (240 бит информации на кадр) можно организовать три полнодуплексных голосовых канала одновременно. Именно по этой причине для подчиненного узла максимальное количество соединений типа SCO равно трем.

ZigBee (IEEE 802.15.4)

IEEE 802.15.4-2006 - стандарт, который определяет физический слой и управление доступом к среде для беспроводных персональных сетей с низким уровнем скорости. Стандарт поддерживается рабочей группой IEEE 802.15. Является базовой основой для протоколов ZigBee, WirelessHART, и MiWi, каждый из которых в свою очередь пытается предложить решение для построения сетей посредством постройки верхних слоёв, которые не регламентируются стандартом. В качестве альтернативы он может быть использован совместно со стандартом 6loWPAN и стандартными протоколами Интернета для построения встроенного беспроводного интернета.

Обзор

Цель стандарта IEEE 802.15 - предложить нижние слои основания сети для сетей типа беспроводных персональных сетей, ориентированных на низкую стоимость, низкую скорость повсеместной связи между устройствами (по контрасту с многими более конечно-ориентированных на пользователя сетями, как например Wi-Fi). Акцент делается на очень низкой стоимости связи с ближайшими устройствами, совсем без (или с небольшой) базовой структурой, с целью эксплуатации на доселе небывалом низком уровне энергии.

Основной предел приёма - 10-метровая область связи со скоростью передачи 250 кбит/с. Компромиссы возможны в пользу более радикально встраиваемых устройств с еще более низкой потребностью в энергии, путём определения не одного, а нескольких физических уровней. Первоначально были определены низкие скорости передачи в 20 и 40 kbit/s, скорость в 100 kbit/s была добавлена в текущем перевыпуске.

Еще более низкие скорости передачи могут быть рассмотрены с результирующим эффектом снижения энергопотребления. Как уже упоминалось, главной отличительной особенностью стандарта 802.15.4 среди беспроводных персональных сетей важным является низкая стоимость производства и расходов по эксплуатации, простота технологии.

В ряду важнейших функций находятся обеспечение работы в режиме реального времени посредством сохранения временных слотов, предотвращение одновременного доступа и комплексная поддержка защиты сетей. Устройства также включают функции управления расходом энергии, такие как качество соединений и детектирование энергии. Совместимые со стандартом 802.15.4 устройства могут использовать одну из трёх возможных частотных полос для работы.

ZigBee - название набора протоколов высокого сетевого уровня, использующих маленькие, маломощные радиопередатчики, основанные на стандарте IEEE 802.15.4. Этот стандарт описывает беспроводные персональные вычислительные сети (WPAN). ZigBee нацелена на приложения, которым требуется большее время автономной работы от батарей и большая безопасность, при меньших скоростях передачи данных.

Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с ячеистой топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений.

Области применения данной технологии - это построение беспроводных сетей датчиков, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, системы промышленного мониторинга и управления, а также при разработке бытовой электроники и персональных компьютеров.

Описание

ZigBee - стандарт для набора высокоуровневых протоколов связи, использующих небольшие, маломощные цифровые радио, основанный на стандарте IEEE 802.15.4-2006 для беспроводных персональных сетей, таких как например беспроводные наушники, соединённые с мобильными телефонами посредством радиоволн коротковолнового диапазона. Технология определяется спецификацией ZigBee, разработанной с намерением быть проще и дешевле чем остальные персональные сети, такие как Bluetooth. ZigBee предназначен для радиочастотных приложений, требующих долгую жизнь батареек и безопасность сети.

Альянс ZigBee - группа компаний, обеспечивающих и публикующих стандарты ZigBee.

ZigBee - недорогой, маломощный стандарт для беспроводных сетей с ячеистой топологией. Низкая стоимость позволяет широко развернуть технологию для беспроводных приложений контроля и наблюдения, маломощность позволяет долгую жизнь маленьким батарейкам.
Альянс ZigBee - является органом стандартизации, определяющим для ZigBee, он также публикует профили приложений, что позволяет производителям изначальной комплектации создавать совместимые продукты. Текущий список профилей приложений, опубликованных или уже находящихся в работе:

Домашняя автоматизация

Рациональное использование энергии (ZigBee Smart Energy 1.0/2.0)

Автоматизация коммерческого строительства

Телекоммуникационные приложения

Персональный, домашний и больничный уход

Сотрудничество между IEEE 802.15.4 и ZigBee подобно тому, что было между IEEE 802.15.4 и альянсом Wi-Fi. Спецификация ZigBee 1.0 была ратифицирована 14 декабря 2004 и доступна для членов альянса ZigBee. Сравнительно недавно 30 октября 2007 была размещена спецификация ZigBee 2007. О первом профиле приложения Домашняя автоматизация ZigBee было объявлено 2 ноября 2007. ZigBee работает в промышленных, научных и медицинских (ISM-диапазон) радиодиапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и в Австралии и 2.4 ГГц в большинстве стран в мире (под большинством юрисдикций стран мира). Технология ZigBee была разработана с целью быть проще и дешевле чем другие беспроводные персональные сети, такие как Bluetooth. Продавцы чипов ZigBee продают объединённые радио и микроконтроллеры с размером флеш-памяти от 60К до 128К таких производителей как Jennic JN5148, Freescale MC13213, Ember EM250, Texas Instruments CC2430, Samsung Electro-Mechanics ZBS240 и Atmel ATmega128RFA1. Радио также можно использовать отдельно с любым процессором и микроконтроллером. Как правило продавцы чипов предлагают также стек программного обеспечения ZigBee, хотя доступны и другие независимые стеки.

Так как ZigBee может активироваться (то есть переходить от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, скрытое состояние может быть очень низким, особенно по сравнению с Блютус, для которого задержка, образующаяся при переходе от спящего режима к активному обычно достигает трёх секунд. Так как ZigBee большую часть времени находится в спящем режиме уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается долгая жизнь батарей.

Первый выпуск стека называется сейчас ZigBee 2004. Второй выпуск стека называется ZigBee 2006 и в основном заменяет структуру MSG/KVP, использующуюся в ZigBee 2004 вместе с «библиотекой кластеров». Стек 2004 года сейчас более или менее вышел из употребления. В настоящее время стек ZigBee 2007 является текущим, он содержит два профиля стека, профиль стека № 1 (который называют просто ZigBee) для домашнего и мелкого коммерческого использования и профиль стека № 2 (который называют ZigBee Pro). ZigBee Pro предлагает больше функций, таких как многоролевость, многомаршрутность и высокую безопасность вместе с симметричным ключевым обменом (SKKE), в то время как ZigBee (профиль стека № 1) предлагает меньший след в оперативной памяти и в флеш-памяти. Оба профиля позволяют полномасштабную сеть с ячеистой топологией и работают со всеми профилями приложений ZigBee.

ZigBee 2007 полностью совместим с устройствами ZigBee 2006. В то же время устройство ZigBee 2007 может подключаться и работать с сетью ZigBee 2006 и с вице-версией. В связи с наличием различий в опциях маршрутизации, устройства ZigBee Pro не могут быть конечными устройствами (ZEDs) сетей ZigBee 2006 или ZigBee 2007. Приложения, которые запускаются на тех устройствах, работают одинаково, независимо от профиля стека.

Приложения

Протоколы ZigBee разработаны для использования во встроенных приложениях, требующих низкую скорость передачи данных и низкое энергопотребление. Цель ZigBee - это создание недорогой, самоорганизующейся сети с ячеистой топологией предназначенной для решения широкого круга задач. Сеть может использоваться в промышленном контроле, встроенных датчиках, сборе медицинских данных, оповещении о вторжении или задымлении, строительной и домашней автоматизации и т. д. Созданная в итоге сеть потребляет очень мало энергии - индивидуальные устройства согласно данным сертификации ZigBee позволяют энергобатареям работать два года. .
Типовые области приложения:

Домашние развлечения и контроль - рациональное освещение, продвинутый температурный контроль, охрана и безопасность, фильмы и музыка.

Домашнее оповещение - датчики воды и энергии, мониторинг энергии, датчики задымления и пожара, рациональные датчики доступа и переговоров.

Мобильные службы - мобильные оплата, мониторинг и контроль, охрана и контроль доступа, охрана здоровья и телепомощь.

Коммерческое строительство - мониторинг энергии, HVAC, света, контроль доступа.

Промышленное оборудование - контроль процессов, промышленных устройств, управление энергией и имуществом.

Существуют три различных типа устройств ZigBee.

Координатор ZigBee (ZC) - наиболее ответственное устройство, формирует пути древа сети и может связываться с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee. Он и запускает сеть от начала. Он может хранить информацию о сети, включая хранилище секретных паролей производства компании Trust Centre.

Маршрутизатор ZigBee (ZR) - Маршрутизатор может выступать в качестве промежуточного маршрутизатора, передавая данные с других устройств. Он также может запускать функцию приложения.

Конечное устройство ZigBee (ZED) - его функциональная нагруженность позволяет ему обмениваться информацией с материнским узлом (или координатором, или с маршрутизатором), он не может передавать данные с других устройств. Такое отношение позволяет узлу львиную часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей. ZED требует минимальное количество памяти, и поэтому может быть дешевле в производстве, чем ZR или ZC.

Протоколы

Протоколы построены на недавно разработанном алгоритме AODV (протокол динамической маршрутизации для мобильных ad-hoc сетей (MANET) и других беспроводных сетей) и NeuRFon предназначенными для образования ad-hoc сетей (децентрализованная беспроводная сеть, образованная случайными абонентами) или узлов. В большинстве случаев сеть является скоплением скоплений. Она также может принимать форму сети или одиночного скопления. Текущие профили получаются из протоколов ZigBee поддерживают сети со включёнными или с отключёнными маячками.

Беспроводные самоорганизующиеся сети (другие названия: беспроводные ad hoc сети , беспроводные динамические сети ) - децентрализованные беспроводные сети, не имеющие постоянной структуры. Клиентские устройства соединяются на лету, образуя собой сеть. Каждый узел сети пытается переслать данные предназначенные другим узлам. При этом определение того, какому узлу пересылать данные, производится динамически, на основании связности сети. Это является отличием от проводных сетей и управляемых беспроводных сетей, в которых задачу управления потоками данных выполняют маршрутизаторы (в проводных сетях) или точки доступа (в управляемых беспроводных сетях).

В сетях с отключёнными маячками (где порядок маячков составляет 15) используется механизм доступа к каналам. В этом типе сети маршрутизаторы ZigBee обычно поддерживают свои приёмники включёнными продолжительно, что требует более мощной энергоподдержки. Однако это позволяет разнородным сетям в которых некоторые устройства продолжительно принимают, пока другие только передают в то время когда определяются внешние сигналы. Типичный пример разнородной сети это беспроводной ламповый выключатель. Узел ZigBee в лампе может принимать постоянно, с того времени как он подключён к общему питанию, в то время как ключ, соединяющий лампу с батареей, остаётся в спящем режиме, пока выключатель отключён. Затем ключ переходит в активный режим, посылает к лампе команду, ожидая подтверждения, и возвращается в спящее состояние. В таких сетях узел лампы должен быть, по меньшей мере маршрутизатором ZigBee, если не координатором, узел ключа, обычно, это конечное устройство ZigBee.

В сетях с маячками специальные узлы сети маршрутизаторы ZigBee передают периодических маячки, чтобы подтвердить свое присутствие на других узлах сети. Узлы могут находиться в спящем состоянии между маячков, что снижает их скважность и увеличивает жизнь батареек. Интервалы маячков могут различаться от 15.36 мс до 15.36 мс * 214 = 251.65824 с для скорости в 250 kbit/s, от 24 мс до 24 мс * 214 = 393.216 с для скорости в 40 kbit/s и от 48 мс до 48 мс * 214 = 786.432 с для 20 kbit/s. Однако низкая скважность операций (сигналов) вместе с длинными интервалами маячков требует точного распределения времени, что может войти в противоречие с требованием низкой стоимости изделия.

В общем, протоколы ZigBee снижают время включения радиопередатчиков и также сокращают энергопотребление. В маячковых сетях узлы должны быть активными только во время осуществления маячком передачи. В безмаячковых сетях расход энергии решительно ассиметричен, некоторые устройства всегда активны, в то время как другие проводят большую часть своего времени в спящем режиме. Устройства ZigBee должны быть совместимы со стандартом IEEE 802.15.4-2003 беспроводных персональных сетей (исключая профиль 2.0 «рационального использования энергии»). Стандарт определяет нижние слои протокола - физический слой (PHY), и контроль доступа (MAC) часть ссылки на слой данных (DLL). Этот стандарт определяет работу на частотах 2.4 ГГц (в мире, нелицензированная частота), 915 МГц (Американский континент) и 868 МГц (Европа) диапазон ISM. На частоте 2.4 ГГц есть 16 каналов ZigBee, каждый канал требует ширины диапазона в 5 МГц. Основная частота для каждого канала может быть рассчитана как FC = (2405 + 5 * (ch - 11)) МГц, где ch = 11, 12, …, 26.

Радио используют широкополосную модуляцию с прямым расширением спектра которая управляется цифровым потоком в модуляторе. Двоичная фазовая манипуляция используется на полосах в 868 и 915 МГц а офсетная квадратурная фазовая манипуляция передающая по 2 бита в символе используется на полосе 2,4 ГГц. В чистом виде, при передаче через воздух скорость передачи данных составляет 250 кбит/с для каждого канала в диапазоне 2.4 ГГц, 40 кбит/с для каждого канала в диапазоне 915 МГц и 20 кбит/с в диапазоне 868 МГц. Расстояние передачи от 10 до 75 метров и свыше 1500 метров для Zigbee pro, хотя оно сильно зависит от отдельного оборудования. Максимальная выходная мощность радио в основном составляет 0 dBm (1 mW).

Базовый режим доступа к каналу «контроль несущей частоты, многократный доступ/избежание коллизий кадров» (CSMA/CA- вероятностный сетевой протокол канального (МАС) уровня.). То есть перед тем как узлы начинают передачу по пути обмена информацией для людей, они кратко проверяются, что ни один из них не ведёт передачу перед началом общей работы. Существуют три знаменитые исключения для работы CSMA. Маячки посылаются за предусмотренный промежуток времени и CSMA не используется. Также подтверждения посланий также не используют CSMA. Наконец устройства в маячковых ориентированных сетях, которые имеют низкую скрытность в требованиях режима реального времени могут также использовать слоты гарантированного времени., которые по определению не используют CSMA.

ZigBee RF4CE

3 марта 2009 концерн RF4CE (Радиочастоты для бытовой электроники) согласился работать с альянсом ZigBee для совместного распространения стандартизированной спецификации предназначенной для радиочастотного дистанционного управления. ZigBee RF4CE был разработан для широкого употребления в дистанционно управляемых аудио/видео продукции, такой как телевизоры и телеприставки. Это обещает множество преимуществ по сравнению с существующими техническими решениями для дистанционного управления, включая расширение связей, повышение надежности работы, расширенные возможности и гибкость, совместимость, и ухода от барьера прямой видимости.

Программное и аппаратное обеспечение

Программное обеспечение разработано с целью упрощения процесса построения небольших недорогих микропроцессоров. Радиоразработки, используемые в ZigBee тщательно оптимизированы, чтобы достичь низкой цены среди большого числа продукции этой линейки. Есть несколько аналоговых каскадов, где возможно используется цифровые контуры.

Хотя радиопередатчики сами по себе недороги процесс квалификации ZigBee включает в себя полную проверку требований на физическом уровне. Такая подробная доводка физического уровня имеет многочисленные преимущества, так как все радио, полученные из этого набора полупроводниковых элементов, будут обладать теми же RF-характеристиками. С другой стороны, если физический уровень будет не сертифицирован, неправильное функционирование может уменьшить длительность работы батарей в других устройствах, включённых в сеть ZigBee. Там где другие протоколы могут скрывать плохую чувствительность или другие скрытые проблемы, что проявляется в искажённой уменьшенной реакции ZigBee радио имеют жёсткие инженерные ограничения, касающиеся как энергопитания так и широты диапазона. Таким образом, радио проходят испытания на стандарт ISO 17025 с указаниями пункта 6 из 802.15.4-2006 стандарта. Большинство производителей вынашивают планы объединения радио и микроконтроллера в одну микросхему.

Ряд компаний выпускает законченные модули ZigBee. Это небольшие платы (2...5 кв. см.), на которых установлен чип трансивера, управляющий микроконтроллер и необходимые дискретные элементы. В управляющий микроконтроллер, в зависимости от желания и возможности производителя закладывается либо полный стек протоколов ZigBee, либо иная программа, реализующая возможность простой связи между однотипными модулями. В последнем случае модули именуются ZigBee-готовыми (ZigBee-ready) или ZigBee-совместимыми (ZigBee compliant). Все модули очень просты в применении - они содержат широко распространенные интерфейсы (UART, SPI) и управляются с помощью небольшого набора несложных команд. Применяя такие модули, разработчик избавлен от работы с высокочастотными компонентами, т.к. на плате присутствует ВЧ трансивер, вся необходимая "обвязка" и антенна. Модули содержат цифровые и аналоговые входы, интерфейс RS-232 и, в некоторых случаях, свободную память для прикладного программного обеспечения.