Децентрализованное управление доступом к среде

Контроль состояния среды позволяет станциям обнаружить занятость канала и предупреждает попытку одновременного начала ими передачи, которая привела бы к коллизии. Спецификацией IEEE 802.11 предусмотрено выполнение операции контроля занятости среды двух видов: эфирное детектирование, выполняемое на физическом уровне и, так называемое, виртуальное детектирование, реализуемое МАС-уровнем. Физическое детектирование обнаруживает передачу другой станции сети посредством анализа принимаемого сигнала (прежде всего, измерения его мощности и, в определенных случаях, его природы). Виртуальное детектирование несущей является одним из сервисов набора DCF и представляет собой определенную процедуру MAC-протокола, которая уменьшает вероятность возникновения коллизий.

Алгоритм СSМА/СА, как и используемый в проводных сетях Ethernet метод CSMA/CD, предусматривает «прослушивание» станцией среды и начало передачи лишь при условии ее незанятости. Однако, в состоянии ожидания доступа к среде могут находиться несколько станций, и если они начнут передачу одновременно, то возникшая коллизия приведет к бесполезной потере времени канала, равного длительности передачи большего из конфликтующих кадров. В условиях относительно узкополосных радиоканалов такие потери потенциальной пропускной способности среды являются весьма нежелательными. Снижение вероятности возникновения коллизий, но не исключение их, достигается введением определенной дисциплины доступа к среде. Рис. 7.6 иллюстрирует основные этапы доступа к среде, реализуемые алгоритмом СSМА/СА.

Все станции сети обязаны после освобождения канала выдержать определенную паузу до начала своих попыток получить доступ к среде. Длительность этой задержки зависит от типа кадра, который станция намеревается передать. Для кадров высшего приоритета (АСК, СТS и ряда других) установлена минимальная задержка (Short Interframe Space, SIFS). Наибольшая задержка (DIFS) устанавливается для передачи кадров данных в режиме DCF. Задержка величиной РIFS используется процедурами централизованного управления доступом к среде; она, будучи меньшей величины DIFS, является одним из механизмов предоставления приоритета в доступе к среде станциям перешедшим в этот режим работы.

Зафиксировав, что канал свободен в течение межкадрового интервала, станция вычисляет случайный, в пределах определенного диапазона, интервал задержки. Величина этого интервала измеряется в единицах Slot-Time, значение которого зависит от типа радиоканала, но оно существенно меньше времени передачи наименьшего блока данных МАС-PDU. При первой попытке передачи кадра величина задержки выбирается из интервала [0, 7]. Таймер задержки ведет обратный отсчет, а станция контролирует состояние среды. В случае обнаружения её занятости, обратный отсчет таймера задержки приостанавливается до момента следующего освобождения среды. Таким образом, станция, вынужденная отложить попытку доступа к среде, получает в дальнейшем определенное преимущество, - ее таймер уже уменьшил свое значение, в то время как значение таймера задержки станции, благополучно завершившей передачу очередного кадра, выбирается из полного допустимого интервала. По достижении таймером нулевого значения станция начинает передачу данных.

В принципе, возможна ситуация, когда у двух станций таймеры задержки передачи достигнут нулевого значения одновременно. Естественно, что возникнет коллизия, и вовлеченные в нее станции, зафиксировав это событие по отсутствию кадров ACK, не предпринимают никаких попыток доступа к среде уже в течение интервала EIFS (Extended IFS), который существенно превышает интервал DIFS. После истечения EIFS каждая станция вычисляет значение случайной задержки уже из диапазона [0, 15]. При каждой неудачной попытке захвата канала (их число варьируется от четырех до семи) верхняя граница этого диапазона увеличивается по закону 2²⁺ⁱ-1, i=1,..I_max. Отметим, что использование интервала EIFS приводит к дискриминации «потерпевших» станций в их праве доступа к среде, что ведет к определенной асимметрии в распределении этого ресурса между станциями сети. Если все попытки захвата канала оказались неудачными, то фиксируется потеря кадра, и в действие вступают механизмы ARQ высших уровней стека протоколов.

Виртуальное детектирование несущей заключается в информировании станцией, получившей доступ к среде, всех станций в ВSA о величине интервала времени, необходимого ей для завершения всех процедур передачи кадра (рис. 7.7). Эта информация передается в специальном поле заголовка кадра.

Все станции в пределах ВSA приняв кадр, прежде чем отбросить его как «чужой», детектируют заголовок, извлекают из него значение поля «Duration» и устанавливают специальную переменную NAV (вектор занятости среды, Network Allocation Vector) равной этому значению. В течение интервала времени Duration станции не предпринимают попыток доступа к среде.

К сожалению, описанный механизм не решает проблему коллизий в условиях наличия скрытых станций. Как отмечалось выше, снижение вероятности коллизий в этих условиях достигается применением кадров RTS/CTS. Рис. 7.8 иллюстрирует поведение станций в этом случае.

Однако, несмотря на все меры предосторожности, коллизии, все-таки, будут возникать. Например, если две станции в одно и то же время пошлют RTS сообщения. Однако, коллизии кадров RTS/CTS приводят к существенно меньшему снижению производительности канала, в сравнении с коллизиями кадров данных. Действительно, RTS-кадр содержит 20 байт, СTS – 14 байт, а величина кадра данных может достигать 2300 байт.

Заметим, что спецификацией 802.11 предусмотрена возможность выбора режима работы без применения кадров RTS/CTS, с применением их при превышении величины кадра данных заданного порога и с постоянным применением RTS/CTS. Очевидно, что при невысокой нагрузке канала, когда вероятность коллизий мала, применение кадров RTS/CTS нецелесообразно, поскольку будет вести лишь к увеличению эффективного времени передачи кадров данных. В условиях же высокой нагрузки, потери пропускной способности по причине коллизий кадров RTS/CTS, будут существенно меньшими в сравнении с потерями по причине коллизий кадров данных.

Беспроводные каналы отличаются относительно высоким значением вероятности битовых ошибок, поэтому передача больших кадров данных не будет эффективной. МАС-уровень производит фрагментацию блоков подуровня LLC, размер которых оказывается выше установленного порога.

Несмотря на все описанные меры, ошибки и коллизии при передаче даже относительно коротких кадров возможны. Децентрализованная функция согласования включает в себя механизмы надежной передачи данных, а именно, – нумерацию кадров данных, передачу кадров АСК, и повторную передачу неподтвержденных кадров.