Radioethernet и коллизии

Компьютерные сети Ethernet – сети, использующие метод случайного доступа зарекомендовали себя как надежная и быстрая среда передачи данных, достигнув гигабайтных скоростей передачи, во многом благодаря использованию эффективного механизма множественного доступа Carrier Sense Multiple Access (CSMA). Однако, существует принципиальное ограничение пропускной способности сети при увеличении её нагруженности (увеличении числа абонентов), связанное с возрастанием вероятности возникновения коллизий – столкновении пакетов от разных абонентов.

Для уменьшения влияния этого эффекта (особенно заметного в сложных сетях с высоким трафиком), в протоколе IEEE LAN 802.3 определён механизм обнаружения коллизий – CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access protocol with Collision Detection). Если средой передачи информации является не кабельная сеть, а радиоэфир, то вероятность возникновения коллизий существенно возрастает, и протокол CSMA/CD становится неэффективен. Это связано, прежде всего, с тем, что работа устройства RadioEthernet возможна только в полудуплексном режиме, т.е. невозможно одновременно вести передачу и прослушивание несущей на одной и той же частоте. Таким образом, в беспроводной среде невозможно гарантировать разрешение коллизий (collision detection) и в полной мере реализовать работу протокола CSMA/CD. Поэтому для беспроводных сетей IEEE Std. 802.11 был предложен модифицированный механизм доступа к среде – CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access protocol with Collision Avoidance) - схема заменяющая обнаружение на предупреждение коллизий, то есть снижение вероятности их возникновения.

Кроме того, при передаче в радиоэфире мы сталкиваемся с новой проблемой: это ситуации, когда есть видимость точка-точка, но нет видимости "каждый видит всех". В этом случае нарушается основной принцип Ethernet – нет полной связности среды. Сеть работает "за рамками" сетевых протоколов, как 802.3 (нет возможности обнаруживать коллизии), так и 802.11 (не выполнено требование относительно взаимной видимости станций в рамках домена).

Как бороться с коллизиями в радиосетях?

Метод CSMA/CA предполагает следующие принципы организации связи:

• прослушивание канала перед передачей,
• алгоритма борьбы станций за канал,
• фрагментации пакетов,
• контроль доставки и перепосылку пакетов на MAC уровне для обеспечения полосой пропускания "спрятанного" узла,
• включение механизма запросов на передачу (RTS-CTS-ACK) в случаях, когда абонент не может установить связь с сетью .

Доступ к среде по принципу Ethernet оказывается в ряде случаев малоэффективным или вообще неприемлемым. Иногда решением является применение механизма RTS/CTS , заключающегося в следующем: узел посылает на точку доступа запрос на передачу (RTS), затем доступа посылает ко всем абонентам сигнала CTS, после которого все узлы сети молчат до получения сигнала ACK (подтверждения приёма) от точки доступа, давая возможность передать информацию узлу, инициализировавшему RTS. Однако, в ряде "особо тяжёлых" случаев, когда нарушена связность среды и высок трафик, даже использование механизма RTS/CTS может оказаться недостаточным. В таких ситуациях устойчивой связи можно добиться применением технологии директивного опроса (polling), при котором центральная станция опрашивает последовательно все узлы.

Благодаря применению методов RTS/CTS/ACK и polling снижается вероятность возникновения коллизий около точки доступа между пакетами двух станций не видящих друг друга, сохранияется пропускная способность канала уменьшаются потери полосы пропускания от возникающих коллизий.

В качестве иллюстрации вышесказанного, можно привести следующий простой пример. Есть точка доступа А и две присоединённых к ней станции - В и С, которые разделены экранирующим препятствием или разнесены на такое расстояние, что находятся вне зоны видимости друг друга. В этом случае существует вероятность одновременной передачи с В и С на А, что приведёт к коллизии в точке доступа А (рис.1):

Ситуации, аналогичные описанным, могут встречаться в городской среде, на пересечённой местности, на крупных промышленных объектах. Однако, не все устройства реализуют механизм RTS-CTS-ACK и polling. Причиной этого явилось то, что RadioEthernet первоначально предполагалось использовать преимущественно для внутриофисных приложений, то есть в условиях полной связности среды, и лишь впоследствии оборудование для организации радиосетей стали использовать также для для outdoor- приложений.

В лаборатории компании КомпТек были проведены сравнительные тесты в конфигурации, соответствующей Рис. 1 (см.описание), где моделируется столкновение параллельных работающих потоков данных с двух абонентов в процессе теста скорости передачи. Испытания проводились как с включённым протоколом polling, так и без него. Результаты приведены на рис. 2. Как видно из рисунка, включение директивного о проса позволяет поддерживать высокую пропускную способность сети при высокой загруженности в таких критичестих ситуациях.

Есть решение!

Одним из устройств, поддерживающим протокол директивных запросов на передачу (polling), был радиомаршрутизатор "WaveCampus" (Lucent Technologies) – довольно дорогое устройство, включающее в себя процессор серии 486 и сетевой интерфейс WaveLan. Для работы в сложных кампусных сетях с высоким трафиком WaveCampus конфигурировался в виде вызывающей базовой станции (Polling BaseStation) и вызываемой абонентской станции (Satellite Station). Теперь аналогичное программное обеспечение появилось и в варианте ПО, загружаемого в прибор WavePoint-II, который в результате поддерживает как polling так и non-polling CSMA/CA базовую станцию, а так же маршрутизацию по протоколам RIP-1 и RIP-2.

Резюме

Появилось удобное решение проблемы создания эффективно работающей в условиях высоких помех и нагрузок, в том числе городской сети (outdoor), на базе устройств Lucent Technologies с использованием технологии передачи с запросом polling, позволяющем повысить пропускную способность сети в условиях сильно зашумленного эфира.

Базовым устройством нового семейства радиооборудования является радиокарта WaveLAN IEEE 802.11 PC card, которая также используется в составе радиомоста WavePoint II. На базе радиомоста WavePoint II создана базовая и абонентская станции. Устройства WavePoint II способны работать одновременно со старой и новой версиями радиокарт WaveLAN IEEE 802.11.

Для поддержки всех функций требуется обновленное программное обеспечение.

Итак, представляем Вам решение "point to multipoint", заменяющее ASK - WaveCAMPUS. Новое семейство Software состоит из трёх перечисленных ниже продуктов, работает так же, как и WaveCAMPUS.

1. WP II Upgrade Kit - Campus Base / comcode: 747010001 / ERP ($695);
2. WP II Upgrade Kit - Campus Satellite / comcode: 747010003 / ERP ($395);
3. PC Upgrade Kit - Campus Satellite NDIS PC (PC running WIN/95 or WIN/98) / comcode: 747010004 / ERP: ($95).

WavePoint-II Software Details