Управление доступом в беспроводных сетях
Протоколы распределенного доступа, подобно сети Ethernet, используют механизм контроля несущей и протоколы централизованного управляемого доступа. Протокол доступа с контролем несущей используется в сетях равноправных рабочих станций. Его также целесообразно применять в других беспроводных конфигурациях, трафик в которых носит преимущественно пульсирующий характер. Централизованный управляемый протокол доступа подходит для сетей, в которых несколько беспроводных станций связаны между собой и имеется также определенная базовая станция, подключенная к магистральной проводной локальной сети. Особенно полезны такие протоколы, если некоторые данные требуют немедленного реагирования или имеют высокий приоритет.
Конечным результатом работы комитета 802.11 является распределенный основной беспроводный протокол МАС (DFWMAC – Distributed foundation wireless MAC), предоставляющий механизм распределенного управления доступом с возможным надстроенным централизованным управлением. На рис.4.20 показана его архитектура. Нижний подуровень уровня МАС представляет собой распределенную координационную функцию (distributed coordination function - DCF). Эта функция DCF использует алгоритм состязания для обеспечения доступа ко всему информационному потоку. Обычный асинхронный информационный поток напрямую использует функцию DCF. Точечная координационная функция (point coordination function - PCF) – это централизованный алгоритм управления доступом к среде, используемый для обеспечения бесконфликтного обслуживания. Функция PCF надстраиваемая над функцией DCF и использует ее для обеспечения доступа всем пользователям.
Подуровень DCF использует простой алгоритм с контролем несущей. Если станция имеет готовый к передаче кадр МАС, она прослушивает среду. Если среда свободна, станция может передавать; в противном случае станция должна подождать, пока не завершиться текущая передача, а лишь затем передавать. Подуровень DCF не содержит функции обнаружения конфликтов, поскольку обнаружение конфликтов в беспроводной среде непрактично. Динамический диапазон сигналов в среде очень велик, так что передающая станция не может эффективно отличить поступающий слабый сигнал от шума и результатов собственной передачи.
Рис.4.19. Протокольная архитектура 802.11
Для обеспечения бесперебойной и ровной работы описанного алгоритма подуровень DCF включает набор задержек, которые эквивалентны схеме приоритетов. Рассмотрим задержку называемую межкадровым промежутком (interframe space - IFS). Использование IFS следующим образом определяет правила доступа алгоритма (рис.4.20).
1. Станция, имеющая готовые к передаче кадры, прослушивает среду. Если среда свободна, станция ожидает, будет среда свободна в течение времени IFS. Если да, то станция может передавать немедленно.
2. Если среда занята (либо была занята на начало прослушивания, либо стала занятой за время IFS), станция откладывает передачу и продолжает наблюдать за средой, пока не будет завершена текущая передача.
3. Как только будет завершена текущая передача, станция выдерживает один промежуток IFS. Если в течение этого времени среда остается свободной. Станция освобождает среду и снова прослушивает ее. Если среда по-прежнему остается свободной, станция может начинать передачу. Если в течение времени отсрочки среда занимается, таймер отсрочки останавливается и запускается после освобождения среды.
Для обеспечения устойчивости схемы используется метод двоичной экспоненциальной отсрочки. Станция постоянно пытается начать передачу, каждый раз сталкиваясь с конфликтом, но после каждого конфликта время случайной задержки удваивается. Двоичная экспоненциальная отсрочка позволяет справиться со значительной нагрузкой. Постоянные попытки передачи, заканчивающиеся конфликтами, приводят к увеличению времени ожидания, что, в свою очередь, сглаживает нагрузку. Без подобной отсрочки может произойти следующее: две или более станции одновременно пытаются начать передачу, что приводит к конфликту, станции немедленно пытаются передать данные повторно, возникает новый конфликт и т.д.
Рис.4.20. Управление доступом к среде стандарта 802.11
Для создания схемы подобной алгоритму доступа с использованием приоритетов, описанная схема несколько уточняется, для чего вводятся три IFS.
SIFS (short IFS – краткий IFS). Минимальный IFS, используемый для всех немедленных ответных действий.
PIFS (point coordination IFS – IFS точечной координационной функции). IFS среднего размера, используемых централизованным средством управления в схеме PCF при организации опроса.
DIFS (distributed coordination IFS – IFS распределенной координационной функции). Наибольший IFS, используемый как минимальная задержка для асинхронных кадров, состязающихся за доступ (рис.4.21).
На рис.4.21 показано использование описанных временных промежутков. Рассмотрим вначале SIFS. Каждая станция, использующая SIFS для определения возможности передачи, имеет, по сути, наивысший приоритет, поскольку при получении доступа она имеет преимущество перед станцией, ожидающей в течение времени PIFS или DIFS. 
Рис.4.21. Управление доступом
Централизованный алгоритм управления доступом к среде PCF – это альтернативный метод доступа, реализованный на один уровень выше DCF. Посредством его происходит поддержка потоковых данных, таких как видео или речь. По сравнению с DCF, режим PCF имеет более высокий приоритет и делает возможным бесконфликтный доступ к среде. Организация доступа заключается в опросе, производимом централизованным средством опроса (точечным координатором). Точечный координатор использует PIFS при отправке запросов. Поскольку время PIFS меньше времени DIFS, точечный координатор может захватить среду и блокировать асинхронный поток информации на время отправки запросов и получения ответов.
Рассмотрим следующий случай. Беспроводная сеть сконфигурирована так, что несколько станций с чувствительным ко времени информационным потоком контролируются точечным координатором, тогда, как оставшийся поток состязается за доступ с использованием алгоритма с контролем несущей. Точечный координатор может циклически отправлять запросы ко всем станциям, сконфигурированным для упорядоченного опроса. При получении запроса опрашиваемая станция может ответить, используя SIFS. Если точечный координатор получает ответ, он выпускает другой запрос, используя PIFS. Если в течение предопределенного времени не получено отклика, координатор отправляет запрос.
Точечный координатор может заблокировать весь асинхронный поток, отправляя повторные запросы. Для предотвращения блокировки определяется интервал, известный как суперкадр (superframe). В течение первой части этого интервала точечный координатор выдает запросы всем станциям. Затем точечный координатор выключается на оставшееся время, давая возможность станциям посоревноваться за асинхронный доступ.