Meediumipöördus PDF

8. PÖÖRDUSVIISID CSMA/CA vs. CSMA/CD Võrgusuhtluseks on vaja reeglistikku, et tagada juhitud ja tõhus juurdepääs võrgukandjale. Kandjapöörduse juhtimine (ingl k Medium Access Control - MAC) on üldnimetus, mida kasutatakse juurdepääsu mõiste lahtiseletamisel. Kandjapöörduse juhtimiseks on palju võim...

8. PÖÖRDUSVIISID CSMA/CA vs. CSMA/CD Võrgusuhtluseks on vaja reeglistikku, et tagada juhitud ja tõhus juurdepääs võrgukandjale. Kandjapöörduse juhtimine (ingl k Medium Access Control - MAC) on üldnimetus, mida kasutatakse juurdepääsu mõiste lahtiseletamisel. Kandjapöörduse juhtimiseks on palju võimalusi. Esimestes suurarvutites kasutati küsitlusvõtet (ingl k polling), mille vahedusel kontrolliti järjestikku iga terminali, et teada saada, kas neil töödeldavaid andmeid on. Hiljem lisandusid kandjale juurdepääsu võimaldamiseks pöörduslubade (ingl k token) edastamise ja ressursieralduse meetodid. Kaks ressursieralduse vormi, mida tänapäeva võrkudes palju kasutatakse, on kandjatundlik põrketuvastusega ühispöördus (ingl k Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (edaspidi CSMA/CD) ja kandjatundlik põrkeennetusega ühispöördus (ingl k Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (edaspidi CSMA/CA). CSMA/CD on hästi tuntud ja seda kasutatakse 802.3 Etherneti võrkudes. 802.11 WLAN võrkudes kasutatakse kandjapöörduse juhtimiseks vähem tuntud mehhanismi CSMA/CA. Jaamad, mis kasutavad üht neist kahest juurdepääsu juhtimise meetodist, peavad kõigepealt „liinil kuulama“, kas mõni teine seade edastab; kui see on nii, peab jaam ootama, kuni kandja vabaneb. Erinevus CSMA/CD ja CSMA/CA vahel on selles meetodi osas, mis reguleerib olukorda, kus klient soovib kandjal edastada ajavahemikul, mil teised kliendid parasjagu ei edasta. CSMA/CD juhtmega võrku ühendatud jaam kontrollib kõigepealt, kas mõni teine edastus on pooleli. Kui Etherneti andmekandjal ei edasta ükski teine jaam, saadab edastav jaam kandjale välja esimese biti. Kui seejärel kokkupõrget ei tuvastata, saadab sõlm jätkuvalt järgnevaid infobitte, kontrollides samal ajal pidevalt, kas kokkupõrge tuvastatakse. Kui tuvastatakse kokkupõrge, peatab jaam edastuse ja ootab juhusliku (pseodojuhulikul ajastialgoritmil põhineva) ajaperioodi kestuse enne, kui protsessi uuesti alustab. 802.11 traadita raadiod ei ole aga võimelised kandjal samaaegselt edastama ja vastu võtma, seega ei saa need ka edastamise ajal kokkupõrget tuvastada. Sel põhjusel kasutab 802.11 traadita võrk kokkupõrgete vältimiseks CSMA/CD asemel teistsugust mehhanismi, mille lühendnimeks on CSMA/CA. Kui CSMA/CA jaam on kindlaks teinud, et ükski teine jaam ei edasta, valib raadio 802.11 juhusliku ooteaja kestuse väärtuse. Seejärel ootab jaam enne edastamist veel ühe ajavahemiku, mis põhineb sellel ooteaja kestuse väärtusel. Selle ooteaja jooksul jätkab jaam jälgimist, veendumaks, et ükski teine jaam ei hakanud edastama. RF-andmekandja pooldupleks-olemuse tõttu on vaja tagada, et igal ajahetkel oleks andmekandja üle kontroll ainult ühel 802.11 raadiol. CSMA/CA on protsess, mida kasutatakse tagamaks, et korraga edastab ainult üks 802.11 raadio. Kas see protsess on täiuslik? Kindlasti mitte! Kokkupõrked toimuvad endiselt niipea, kui kaks või enam raadiot edastavad samal ajal. IEEE 802.11-2016 standard määratleb hajuskoordinatsioonifunktsiooni Distributed Coordination Function (DCF), mis võimaldab CSMA/CA protokolli abil automaatset kandjaressursi ühist kasutamist ühilduvate PHY-kihi edastuste vahel. DCF kasutab ka kättetoimetamise kontrolli võtet, edastades selleks ACK kaadreid. CSMA/CA kasutab kokkupõrgete minimeerimiseks mitut kontrolli- ja kaalutlusmehhanismi. Neid kontrolli- ja kaalutlusmehhanisme võib pidada ka mitmeks „kaitseliiniks“, et veelgi suurema tõenäosusega tagada, et ajal, kui ainult üks raadio edastab, kõik teised raadiod on ooteolekus ja detekteerivad kanalis toimuvaid edastusi. CSMA/CA minimeerib kokkupõrgete ohtu ilma liigse liiasuseta. Lisaks hõlmab standard 802.11-2016 hübriidset koordinatsioonifunktsiooni (HCF), mis määratleb täiustatud teenusekvaliteedi (QoS) meetodid. Kokkupõrke tuvastamine Eelnevalt veendusime, et 802.11 raadiod ei saa samaaegselt edastada ja vastu võtta ning seetõttu ei saa saatmise ajal kokkupõrkeid tuvastada. Niisiis, kui nad ei suuda kokkupõrget tuvastada, siis kuidas nad teavad, kas põrge toimus? Vastus on lihtne. Nagu on näidatud joonisel 8.1, vastab vastuvõttev jaam iga kord, kui 802.11 raadio edastatud unicast-kaader saab õigesti vastu võetud, saatjale kinnituskaadriga (ACK). Sellest tulenevalt saab ACK-kaadrit rakendada unicast-kaadrite kohaletoimetamise kontrollimise meetodis. 802.11n ja 802.11ac raadiod kasutavad kaadrite koondamist, mis grupeerib mitu unicast-kaadrit kokku. Agregeeritud kaadrite kohaletoimetamist kontrollitakse ploki ACK abil. JOONIS 8.1 Unicast-kaadri kättetoimetamise kinnitus Enamiku unicast-802.11 kaadrite vastuvõtmist tuleb sel kombel kinnitada. Levisaate- ja multisaatekaadrid siiski ei vaja kinnitust. Kui mõni osa unicast-kaadrist on rikutud, ebaõnnestub kontrollsumma (CRC) arvutamine ja vastuvõttev 802.11 raadio ei saada ACK-kaadrit edastavale 802.11 raadiole vastuseks. Kui algse edastuse väljastanud raadio ei võta selle seansiga seotud ACK-kaadrit vastu, siis unicast-kaadrit ei kinnitata ja see tuleb uuesti edastada. See protsess ei määratle konkreetselt, kas kokkupõrge toimub - teisisõnu, kokkupõrget kui sellist ei tuvastata. Kui aga edastuse väljastanud raadio selle edastusega seostuvat ACK-kaadrit vastu ei võta, eeldatakse, et selle puudumise põhjuseks oli kokkupõrge. Mõelge ACK-kaadrile kui unicast-tüüpi 802.11 kaadrite kohaletoimetamise kontrollimise meetodile. Kui kohalejõudmise kinnitust ei esitata, eeldab algse edastuse eetrisse saatnud raadio, et tegemist oli edastustõrkega, ja edastab kaadri uuesti. Hajuskoordineerimisfunktsioon Hajuskoordineerimisfunktsioon (DCF) on 802.11 side põhiline juurdepääsumeetod ja selle aluseks omakorda on CSMA/CA protsess. Standardi 802.11e muudatuse lisamisega, mis on nüüd osa standardist 802.11-2016, täiendati veelgi koordineerimisfunktsiooni, mida tuntakse nüüdsest hübriidse koordineerimisfunktsioonina (HCF). Vastavalt DCF täiustatud skeemile sisaldab CSMA/CA protokoll nelja põhikomponenti: • Füüsilise kandja tuvastus • Virtuaalse kandja tuvastus • Pseudojuhuslik ooteajasti (ingl k backoff timer) • Kaadritevahelised vahemikud 802.11 raadiod kasutavad kandjatuvastusmehhanisme, et teha kindlaks, kas traadita sidekandja (raadiokanal) on hõivatud. Mõelge sellele nagu abonendi hõivatusest märku andvale kinnitoonisignaalile, kui helistate kellelegi telefoniga. Kandja tuvastuse toimingu realiseerimiseks on kaks võimalust: füüsilise kandja tuvastus ja virtuaalse kandja tuvastus. 802.11 raadiod konkureerivad kandja kasutamise õiguse eest, rakendades enne edastamist pseudojuhuslikku algoritmi ja ooteajastit. Lisaks on juhtloogikasse sisse kavandatud kaadrite vahelised vahemikud, et võimaldada traadita andmekandjale juurdepääsu tasemete prioritiseerimist. Mõelge neile neljale komponendile kui kontrollile ja kaalutlusele, mis töötavad samal ajal koos, tagamaks, et poolduplekskandjal edastab korraga ainult üks 802.11 raadio. Järgnevalt vaatleme neid nelja komponenti, kuid on oluline mõista, et kõik neli mehhanismi toimivad tegelikult samal ajal. FÜÜSILISE KANDJA TUVASTUS Standard 802.11-2016 määratleb füüsilise kandja tuvastusmehhanismi, et teha kindlaks, kas raadiosageduslik (RF) keskkond on hõivatud. Füüsilise kandjatuvastuse rutiini viivad pidevalt läbi ka kõik need jaamad, mis ei edasta ega võta vastu. Kui jaam tuvastab füüsilist kandjat, detekteerib ta tegelikult kanalit, et otsustada, kas kanal on hõivatud muude RF-edastustega. Füüsilisel kandjatuvastusel on kaks eesmärki: • Esimene eesmärk on kindlaks teha, kas kaadriedastus on antud jaama jaoks vastuvõtmiseks (sissetulev, ingl k inbound) ette nähtud. Kui kandja on hõivatud, üritab raadio oma selleks oma detektori vastuvõtuahelat edastatava kaadriga sünkroonida. • Teine eesmärk on teha kindlaks, kas kandja on enne edastamise alustamist hõivatud. Kandja peab olema vaba enne, kui jaam saab edastada. Nende kahe füüsilise kandja tuvastusvõtte saavutamiseks kasutatakse 802.11 raadiomoodulites RF-kandja seisundi määratlemiseks kanali vaba oleku hindamist (ingl k Clear Channel Assessment, CCA). CCA hõlmab RF-edastuste detekteerimist füüsilisel kihil. 802.11 raadiomoodulites kasutatakse RF-kandja detekteerimisel kahte eraldi CCA lävitingimust. Nagu on näidatud joonisel 8.2, kasutatakse signaalidetektori (SD) lävi mis tahes 802.11 preambuli edastuse tuvastamiseks teisest edastavast 802.11 raadiomoodulist. Preambul on 802.11 kaadriedastuse füüsilise kihi päise osa. Preambulit kasutatakse 802.11 raadiote edastusja vastuvõtuseansside sünkroonimiseks. SD-lävi nimetatakse mõnikord preambuli kandjatuvastuse läviks. Signaalituvastuse (SD) läviväärtuse miinimumväärtuseks, mis võimaldab tuvastada ja dekodeerida 802.11 preambulit, on enamiku 802.11 raadiote puhul statistiliselt ligikaudu 4 dB tasemel signaali-müra suhe (SNR). Teisisõnu on 802.11 raadio suuteline tavaliselt dekodeerima kõik sissetulevad 802.11 preambuli edastused vastuvõetud signaalist, mille võimsus on 4 dB müranivoost kõrgemal. JOONIS 8.2 Vaba kanali hindamine (CCA) Energiadetektori (ED) läviväärtust kasutatakse mis tahes muud tüüpi raadiosagedusliku ülekande tuvastamiseks vaba kanali hindamise (CCA) käigus. Pidage meeles, et sagedusalad 2,4 GHz ja 5 GHz on litsentsivabad sagedusalad ja muud mitte-802.11 raadiosageduslikud edastused võivad samuti hõivata ressurssi sellel kanalil. Nagu näidatud joonisel 8.2, on ED lävi 20 dB kõrgem kui signaali tuvastamise lävi. Näiteks kui kanali 36 müranivoo oleks –95 dBm, oleks SD-lävi 802.11 edastuse tuvastamiseks umbes –91 dBm ja ED-lävi muude raadiosageduslike ülekannete tuvastamiseks –71 dBm. Kui kanali 40 mürapõrand oleks –100 dBm, oleks SD-lävi 802.11 edastuse tuvastamiseks umbes –96 dBm ja ED-lävi muude raadiosageduslike ülekannete tuvastamiseks –76 dBm. CCA protsess vajab ligikaudu 4 mikrosekundit ajaressurssi nii signaali kui ka energia tuvastamiseks. Mõelge signaali tuvastamisele kui 802.11 raadioülekannete tuvastamise ja edasilükkamise meetodile. Mõelge energiadetektorile kui meetodile, mille abil tuvastada ja töötlusest kõrvale jätta mitte-802.11 saatjate signaale. Nagu on näidatud tabelis 8.1, kasutatakse CCA ajal mõlemat läviväärtust koos, et teha kindlaks, kas keskkond on hõivatud, ja seega teha otsus edastamise edasilükkamiseks. Signaali tuvastamine (SD) Energia tuvastamine (ED) Edastuse või edasilükkamise otsus Jõude Jõude Edastamiseks OK Hõivatud Jõude Edasi lükata, alustada OFDMsümboli demoduleerimist Jõude Hõivatud Ühe OFDM-i edasilükkamine ajapilu võrra TABEL 8.1 Vaba kanali hindamislävide rakendamine Mõlema CCA lävi määratlus on standardis 802.11-2016 mõnevõrra ebamäärane, mis on sageli põhjustanud tegelike läviväärtuste vääritimõistmise. Nende läviväärtuste tõlgendamine WLAN-i tootjate poolt 802.11 kliendi- ja AP-raadiote puhul on sageli erinev. Veelgi keerulisemaks teeb olukorra asjaolu, et raadiote vastuvõtutundlikkuse võimekused võivad olla väga erinevad. Vastuvõtutundlikkuse erinevuse tõttu võib mürataseme detekteerimine 802.11 raadiote vahel olla üsna erinev. Seetõttu võivad kaks CCA läviväärtust varieeruda ka raadiomoodulite vastuvõtutundlikkuse erinevuste tõttu. Käesolevas punktis käsitletud CCA läviväärtused põhinevad edastustel 20 MHz laiusel kanalil. Etteruttavalt tuleb mainida, et 802.11n ja 802.11ac raadiod on võimelised edastama laiematel kanalitel, ühendades selleks mitu 20 MHz kanalit. Näiteks 802.11n/ac raadio saab edastada ja vastu võtta 40 MHz kanalil, kasutades ühendatud primaar- ja sekundaarkanalit. Seejuures on CCA läviväärtused esmaste ja teiseste kanalite vahel samuti erinevad. VIRTUAALSE KANDJA TUVASTUS Nagu joonisel 8.3 kujutatud, on 802.11 kaadri MAC-päise üks väljadest väli Duration/ID. Kui klient edastab unicast-kaadri, sisaldab väli Duration/ID väärtust vahemikus 0 kuni 32 767. Väärtus Duration/ID tähistab aega (mikrosekundites), mis on vähimalt vajalik aktiivse kaadrivahetusprotsessi korraldamiseks nii, et teised raadiod protsessi ei katkestaks. Joonisel 8.4 näidatud näites arvutab andmekaadri edastav klient, kui kaua kulub ACK kaadri vastuvõtmiseks ja sisestab selle ajaväärtuse edastatava unicastandmekaadri MAC-päises väljale Duration/ID. Järgneva ACK-kaadri MAC-päises on väljal Duration/ID väärtus 0 (null). Kestuse ajaväärtus mis tahes kaadris on alati ligikaudu võrdne ajaga, mis kulub kahe raadio vahelise kaadrivahetuse lõpuleviimiseks. Kokkuvõtteks võib öelda, et välja Duration/ID väärtus näitab, kui kauaks RF-kandja on kaadrivahetuseks hõivatud, enne kui mõni teine jaam saab kandja ressurssi endale taotlema hakata. JOONIS 8.3 Duration/ID väli JOONIS 8.4 SIFS + ACK kestuse väärtus Enamasti sisaldab väli Duration/ID väärtust Duration, mida kasutatakse teiste jaamade võrguressursi eraldamisvektori (NAV, ingl k Network Allocation Vector) ajastite lähtestamiseks. Virtuaalse kandja sensor põhineb ajastimehhanismil, mida nimetatakse võrgu eraldusvektoriks (NAV). NAV-ajasti väärtuste alusel prognoositakse eesolevat (tulevikus toimuvat) liiklust andmekandjal, tuginedes eelmises kaadriülekandes tuvastatud kestuse (Duration) väärtusele. Kui 802.11 raadio parajasti ei edasta, siis see detekteerib (nn „kuulab“ kandjal toimuvat). Nagu kujutatud joonisel 8.5, kui „kuulav“ raadio tuvastab teiselt jaamalt toimuva kaadriedastuse, vaatab ta kaadri päist ning otsustab, kas Duration/ID-väli sisaldab kestvusväärtust või ID-väärtust. Kui väli sisaldab kestvusväärtust, seab „kuulav“ jaam oma NAV ajasti võrdseks selle väärtusega. Seejärel rakendab „kuulav“ jaam NAV-i tagasiloendusajastina, teades, et RF-kandja peaks olema hõivatud seni, kuni tagasiloendus jõuab nulli. JOONIS 8.5 Virtuaalne kandja tuvastus Selliselt korraldatud protsess võimaldab sisuliselt edastaval 802.11 raadiol teavitada teisi jaamu, et kandja on teatud aja jooksul (Duration/ID ajaväärtusega määratud ajaks) hõivatud. Jaamad, mis ei edasta, detekteerivad ja kuulevad Duration / ID väärtust, seadistavad ajasti (NAV) ja ootavad, kuni see jõuab 0ni, enne kui nad saavad kandja kasutamise nimel taas konkureerida ja lõpuks andmekandjal edastada. Ükski edastav jaam ei saa kandja kasutamisele konkureerida enne, kui selle NAV-ajasti on jõudnud tagasi loendada väärtuseni 0, samuti ei saa jaam edastada kandjale juhul, kui NAV-i ajasti on seatud mittenullisele väärtusele. On oluline mõista, et nii virtuaalne kandja detekteerimine kui ka füüsiline kandja detekteerimine toimuvad alati samal ajal. Virtuaalne kandja detekteerimine on 2. kihi kaitseliin, samal ajal kui füüsiline kandja detekteerimine on 1. kihi kaitseliin. Kui üks kaitseliin ebaõnnestub, siis loodetavasti teine takistab kokkupõrgete tekkimist. PSEUDOJUHUSLIK OOTEAJASTI 802.11 jaam võib taotleda kandjal edastamisluba ajaakna vältel, mida nimetatakse ooteajaks (ingl k backoff time). CSMA/CA protsessi selles etapis valib jaam pseudojuhusliku ooteaja algoritmi abil juhusliku ooteaja väärtuse. Jaam valib juhusliku arvu vahemikust, mida nimetatakse konkurentsiaknaks (ingl k Contention Window, CW). Pärast juhusliku arvu valimist korrutatakse see ajapilu ajaväärtusega. See käivitab pseudojuhusliku ooteaja ajasti (ingl k pseudo-random backoff timer). Tähelepanu – ei tohi segi ajada ooteaja ajastit NAVajastiga. Eelpool selgitasime, et NAV-ajasti on virtuaalne kandja detekteerimise mehhanism, mida kasutatakse kandja reserveerimiseks edasisteks edastusteks. Pseudojuhuslik ooteaja ajasti on aga edastava jaama järgmine, viimane ajasti, mis tuleb enne edastamist käivitada. Jaama ooteaja ajasti hakkab tagasi loendama ajapilude kaupa. Kui ooteaja ajasti jõuab nullini, saab klient uuesti võimaluse hinnata kanalit ja kui see on ka siis veel vaba, alles siis alustada edastamist. Ajapilu suurused sõltuvad kasutatavast füüsilise kihi spetsifikatsioonist (PHY). Näiteks pärandstandardi 802.11b raadiotes kasutatakse HR- DSSS PHY-d, milles on määratletud ajapilu kestuseks 20 μs. 802.11a/g/n/ac raadiod kasutavad kõik OFDM-i ja siin on ajapilu kestuseks 9 μs. OFDM-i ajapilu jooksul on signaali tuvastamiseks (SD) ja energia detekteerimiseks (ED) kandjatuvastuse tarvis vaja 4 μs ning OFDM-sümboli detekteerimiseks samuti 4 μs. Kui antud ajapilu vältel ei toimu keskmist aktiivsust, vähendatakse ooteajasti väärtust ühe ajapilu võrra. Kui füüsilised või virtuaalsed kandja tajumehhanismid registreerivad kandja hõivatuse, peatatakse ooteajasti tagasiloendamine ja säilitatakse selle ajaväärtus. Kui andmekandja tuvastatakse DIFS-i, AIFSi või EIFS-i perioodi jooksul jõude olevana, jätkub ooteajasti tagasiloendus sealt, kus see pooleli jäi. Kui ooteajasti jõuab nulli, algab edastus. Järgnev näide annab lihtsa ülevaate kogu ooteprotsessi kulgemisest. • OFDM-jaam valib juhusliku arvu konkurentsiaknast (vahemikus 0–15). Selle näite puhul on valitud arv 4. • Jaam korrutab juhusliku arvu 4 ajapilu kestusega 9 μs. • Juhusliku ooteajasti väärtuseks saadakse 36 μs (4 ajapilu). • Iga ajapilu kohta, mille jooksul puudub keskmine aktiivsus, vähendatakse oote ajasti väärtust ühe ajapilu aja võrra. • Jaam vähendab ooteajasti väärtust, kuni ajasti jõuab nulli. • Jaam teostab lõpliku CCA-toimingu ja kui kandja on vaba, edastab. • Kui andmekandja ei ole vaba, lükkab klient edastust ühe ajapilu võrra edasi, hindab andmekandjat järgmise CCA-toiminguga ja kui kandja on vaba, edastab. Ooteprotseduuri kogu mõte on see, et kõik 802.11 raadiod saavad võimaluse edastada RF-andmekandjal; siiski on vaja pseudojuhuslikul algoritmil põhinevat protsessi, et tagada, et kõik need edastused toimuksid kordamööda. Hea analoogia oleks järgmine: Kirjutage numbrid 0–15 16 paberitükile ja pange kõik paberitükid korvi sisse. Paluge neljal kaaslasel endale korvist üks paberitükk valida. Kõige väiksema arvuga paberitüki endale saanud kaaslane saaks õiguse edastada andmekandjal esimesena. Joonis 8.6 illustreerib protsessi teistmoodi. Oletame, et kolm 802.11ac klienti kanalil 40 tahavad kõik korraga edastada. Iga jaama ooteajasti pikkus on konkureerimisakna ulatuses täiesti juhuslik. Kliendijaamale #1 võidakse määrata CW väärtus 6, korrutatuna 9 μs ajapiluga, ooteajastiks 54 μs. Kliendijaamale #2 võidakse määrata CW väärtus 5, korrutatuna 9 μs ajapiluga, ooteajastiks 45 μs. Kliendijaamale #3 võidakse määrata CW väärtus 4, korrutatuna 9 μs ajapiluga, ooteajastiks 36 μs. Seejärel hakkavad kõik kolm jaama oma backoff-ajastite väärtusi 9 μs haaval tühjendama. Jaama #3 ooteajasti saab esimesena maha loetud ja seega oleks see esimene, mis saab andmekandjal edastuseks võimaluse. JOONIS 8.6 Pseudojuhuslikul algoritmil põhinev ooteajasti Pidage meeles, et RF-kandja on pooldupleksne ja et korraga saab edastada ainult üks raadio. Seetõttu peavad kõik 802.11 raadiod kandjal edastamise nimel konkureerima, sealhulgas ka kõigi pöörduspunktide raadiod. Mis tahes põhiteenuste komplektis (BSS) on AP alati kõige aktiivsem saatja; kuid AP-raadiole ei anta raadioeetris edastuseks prioriteeti ja see peab kandjal edastamiseks konkureerima samadel alustel kõigi klientidega, kes võivad olla AP-ga seostatud. Juhuslik ooteaja ajasti on veel üks kaitseliin, mis aitab minimeerida kahe jaama samaaegse suhtluse esinemise tõenäosust, ehkki see ei takista seda täielikult juhtumast. Kui jaam ei saa kinnituskaadrit (ACK), alustab ta kandja detekteerimise protsessi uuesti. JOONIS 8.7 Näide konkurentsiakna (CW) eksponentsiaalsest suurenemisest Mis aga juhtub siis, kui kaadriedastus on rikutud ja edastust tuleks korrata? Ebaõnnestunud edastused suurendavad konkurentsiakna suurust eksponentsiaalselt kuni maksimumväärtuseni, nagu on näidatud joonisel 8.7. Teisisõnu, jaamad peavad võistlema kandja eraldamise nimel kõigi kordusedastuste jaoks; siiski ei ole tõenäosused edastuse õnnestumiseks iga järjestikuse uuestiedastuse korral tingimata sama head. See tagab parema stabiilsuse suure läbilaskevõime tingimustes. KAADRITEVAHELINE RUUM Kaadritevaheline ruum (ingl k Interframe space, IFS) on ajavahemik, mis eksisteerib raadioeetris kaadrite edastamiseks eraldatud ajavahemike vahel. Kaadritevahelisi ruume on kümme erinevat tüüpi, järgnevas on neist ära toodud kuus olulisemat, lühimast pikimani: • Vähendatud kaadritevaheline ruum (RIFS) – kõrgeim prioriteet • Lühike kaadritevaheline ruum (SIFS) – tähtsuselt teine • PCF kaadritevaheline ruum (PIFS) – keskmine prioriteet • DCF kaadritevaheline ruum (DIFS) – madalaim prioriteet • Arbitraažidevaheline ruum (AIFS) – seda kasutavad QoS-jaamad • Laiendatud kaadritevaheline ruum (EIFS) – kasutatakse pärast rikutud kaadrite vastuvõtmist Iga kaadritevahelise ruumi tegelik kestus varieerub sõltuvalt võrgu edastuskiirusest. Kaadritevahelised ruumid on veel üks kaitseliin, mida CSMA/CA kasutab tagamaks, et teatud tüüpi 802.11 kaadrid edastatakse pärast teatud tüüpi kaadritevahelisi ruume. Näiteks saavad pärast vahemikku SIFS minna edastusse ainult ACK-kaadrid, ploki-ACK-kaadrid, andmekaadrid ja edastuslubade (CTS) kaadrid. Kaks kõige levinumat kaadritevahelist ruumi, mida sagedamini kasutatakse, on SIFS ja DIFS. Nagu joonisel 8.8 kujutatud, on ACK-kaader kõrgeima prioriteediga kaader ja SIFS-i kasutamine tagab, et see edastatakse kõigepealt enne mis tahes muud tüüpi 802.11 kaadrit. Enamik teisi 802.11 kaadreid järgib pikemat ajavahemikku, mida nimetatakse DIFS-iks. Jaamad kasutavad SIFS-i, et säilitada kontroll kandja üle kaadrivahetuse tsükli ajal. Teised jaamad ei pääse selle tsükli ajal kandjale juurde, kuna nad peavad ootama pikemat DIFS-i ajavahemikku. JOONIS 8.8 SIFS ja DIFS Punktkoordineerimisfunktsioon Lisaks DCF-ile määratleb IEEE 802.11-2016 standard täiendava valikulise kandjapöörduse juhtimise meetodi, mida nimetatakse punktkoordineerimisfunktsiooniks (PCF). See juurdepääsu juhtimise meetod põhineb küsitlusstruktuuril. AP täidab punktikoordinaatori (PC, ingl k Point Coordinator) funktsiooni. Kuna AP võtab punktikoordinaatori rolli, töötab PCF-i kandjapöörduse meetod ainult põhiteenuste komplektis (BSS). PCF-i ei saa kasutada ad hoc võrgus, kuna sõltumatus põhiteenuste komplektis (IBSS) puudub AP. Kuna küsitluse algatamine toimub kesksest seadmest, pakub PCF hallatud juurdepääsu kandjale. PCF-i kasutamiseks peavad nii AP kui ka jaam seda funktsiooni toetama. Kui PCF on lubatud, töötab DCF endiselt. AP lülitab pidevalt oma talitlusviisi PCF-režiimi ja DCFrežiimi vahel ümber. Ajaperioodi, mil AP töötab PCF-režiimis, nimetatakse konkurentsivabaks perioodiks (ingl k Contention-Free Period, CFP). Konkurentsivaba perioodi vältel küsitleb AP ainult PCF-režiimis olevaid kliente nende kavatsuse kohta andmeid saata. See on meetod klientide prioritiseerimiseks. Ülejäänud ajaperioodi, kui AP töötab DCF-režiimis, nimetatakse konkurentsiperioodiks (ingl k Contention Period, CP). Hübriidne koordineerimisfunktsioon 802.11e teenusekvaliteedi muudatusega lisati 802.11 meediumipöörduse juhtimiseks uus koordineerimisfunktsioon, mida tuntakse hübriidse koordineerimisfunktsioonina (HCF). 802.11e muudatus ja HCF on sellest ajast alates lisatud standardisse 802.11-2016. HCF ühendab nii DCF-i kui ka PCF-i võimalused ja lisab neile täiustusi, et luua kaks kanalile juurdepääsu meetodit: täiustatud hajuskanalijuurdepääs (EDCA) ja HCF-i juhitud kanalijuurdepääs (HCCA). Varem käsitletud DCF ja PCF kandjaressursi eraldamise mehhanismid võimaldavad 802.11 raadiol järjest edastada ühe kaadri. Pärast kaadri edastamist peab 802.11 jaam enne järgmise kaadri edastamist uuesti kandja kasutamise nimel eetriaja saamiseks konkureerima. HCF määratleb 802.11 raadio võimekuse saata RF-andmekandjal edastamisel mitu kaadrit järjestikku. Kui HCF-iga ühilduv raadio konkureerib kandja reserveerimise nimel, saab ta enda käsutusse kaadrite saatmiseks määratud ajapilude hulgaga määratletud ajaperioodi. Seda ajavahemikku nimetatakse edastusvõimaluseks (TXOP, ingl k Transmit Opportunity). Selle TXOP-i ajal võib 802.11 raadio saata mitu kaadrit, mida nimetatakse kaadripuhanguks. Iga kaadriedastuse vahel kasutatakse lühikest kaadrivahelist ruumi (SIFS), et tagada, et ükski teine raadio ei edastaks kaadripuhangu ajal. TÄIUSTATUD JAOTUSEGA KANALIPÖÖRDUSE JUHTIMINE EDCA Täiustatud jaotusega kanalipöörduse juhtimine (EDCA, ingl k Enhanced Distributed Channel Access) on traadita kandjapöörduse juhtimise meetod, mis pakub diferentseeritud juurdepääsu, mis kategoriseerib liikluse nelja pöörduskategooria QoS-i prioriteedijärjekorda. EDCA on DCF laiendus. EDCA kandjapöörduse juhtimise meetod prioritiseerib liiklust, kasutades prioriteedisilte, mis on identsed 802.1D prioriteedisiltidega. Prioriteedisildid pakuvad mehhanismi QoS-i rakendamiseks MAC-tasemel. Selle pöörduse juhtimisviisi põhiline idee on pakkuda lühemat keskmistatud ooteaega, lühemat konkurentsiakent (CW) või kaadrite vahelist ruumi (IFS) neile jaamadele, mis edastavad kõrgema prioriteediga liiklust. Siiski ei saa EDCA pakkuda garanteeritud teenuse kvaliteeti (QoS), kuna põhineb endiselt juhupöördusel põhineval algoritmil (ingl k random access). Saadaval on erinevad teenuseklassid, mis on esitatud 3-bitise kasutaja prioriteedi (UP, ingl k User Priority) väljal Etherneti kaadrile lisatud IEEE 802.1Q päises. 802.1D võimaldab prioriteedijärjekorda (võimaldades mõningaid Etherneti kaadreid kommuteeritavas Ethernet-võrgus teistest varem edastada). Joonisel 8.9 on kujutatud Etherneti poolelt 802.1D prioriteedisilte, mida kasutatakse liikluse suunamiseks pöörduskategooria järjekordadesse. JOONIS 8.9 EDCA ja 802.1D prioriteedisildid EDCA määratleb kaheksa UP-i põhjal neli pöörduskategooriat alates madalaimast prioriteedist kuni kõrgeima prioriteedini: o AC_BK (taustliiklus); o AC_BE (Best Effort); o AC_VI (video); ja o AC_VO (kõne). Iga pöörduskategooria puhul kasutatakse edastusvõimaluse (TXOP) eraldamise taotluseks DCF-i täiustatud versiooni, mida nimetatakse täiustatud jaotusega kanalipöörduse juhtimisfunktsiooniks (ingl k Enhanced Distributed Channel Access Function, EDCAF). Kõrgeima prioriteediga pöörduskategooriaga kaadritel on lühemad ooteaja väärtused ja seetõttu saavad nad tõenäolisemalt edastamise võimaluse (TXOP). HÜBRIIDJUHTIMISEGA KANALIPÖÖRDUS HCCA Hübriidjuhtimisega kanalipöördus (ingl k HCF Controlled Channel Access, HCCA) on traadita side kandjapöörduse meetod, milles kasutatakse QoS-teadlikku tsentraliseeritud koordinaatorit, mida nimetatakse hübriidkoordinaatoriks (HC). See töötab võrreldes PCF punktkoordinaatoriga teistsuguse põhimõtte alusel. HC on AP-sse sisse ehitatud ja sellele on antud traadita andmekandjale juurdepääsuks kõrgem prioriteet. Kasutades seda kõrgemat prioriteeditaset, saab HC eraldada TXOP-sid nii endale kui ka teistele jaamadele, et pakkuda piiratud kestusega juhitud pöördusvõimalust (ingl k Controlled Access Phase, CAP), pakkudes nii muude jaamade jaoks mittekättesaadavat ressurssi QoS-andmete konkurentsituks edastamiseks. Standardis 802.11e on kirjeldatud HCCA pöördusmeetodil põhinevat kanalieraldusmeetodit (CAC) skeem ja paketijärjestuse lahendust, kus arvutatakse multimeedialiikluse ressursivajaduse hindamiseks välja keskmine andmemaht ja keskmine paketi suurus. Siiski ei saa endiselt tagada rangeid viivituse piiranguid iga üksiku paketi jaoks, et pakkuda multimeedialiiklusele tagatud QoS-nõudeid, kuna multimeedia rakenduste poolt tekitatud andmemahu varieeruvus erineb tavaliselt oluliselt vastavatest keskmistest väärtustest. Seega on õige CAC-skeemi ja paketijärjestuse poliitika valimine etteprognoositaval viisil QoS-i tagamiseks WLAN-ides endiselt lahendamata. Wi-Fi multimeedia Enne muudatuse 802.11e vastuvõtmist ei olnud aegkriitiliste rakenduste, näiteks WiFi-kõne (VoWiFi) kasutamiseks määratletud piisavaid QoS-protseduure. Rakenduste liiklusel (nt kõne, heli ja video) on madalam latentsus- ja viitevärinataluvus ning see nõuab prioriteeti standardse andmeliikluse ees. 802.11e muudatusega määratleti 2. kihi MAC-meetodid, mis on vajalikud QoS-i nõuete täitmiseks aegkriitiliste rakenduste jaoks IEEE 802.11 traadita kohtvõrkudes. Kuna WMM põhineb EDCA mehhanismidel, kasutatakse Etherneti poolelt 802.1D prioriteedisilte liikluse suunamiseks nelja pöörduskategooria prioriteedijärjekorda. WMM-sertifikaat näeb ette liikluse prioritiseerimise nelja pöörduskategooria kaudu, nagu on kirjeldatud tabelis 8.2. Kirjeldus Pöörduskategooria WMM kõne prioriteet WMM Video prioriteet 802.1D Tags See on kõrgeim prioriteet. Võimaldab mitut ja samaaegset VoIPkõnet madala latentsusaja ja hea kõnekvaliteediga. 7, 6 See toetab prioritiseeritud videoliiklust enne muud andmeliiklust. Üks 802.11g või 802.11a kanal võib toetada kolme kuni nelja SDTV videovoogu või ühte HDTV videovoogu. 5, 4 WMM Best Effort prioriteet See on liiklus muudest rakendustest või seadmetest (nt Internetibrauser), mis ei saa pakkuda QoS-i võimalusi (nt pärandseadmed). See liiklus ei ole latentsuse suhtes nii tundlik, kuid seda mõjutavad pikad viivitused. 0, 3 WMM See on madala prioriteediga liiklus, millel ei ole rangeid läbilaskevõime ega latentsusnõudeid. See liiklus hõlmab failiedastusi ja prinditöid. 2, 1 Taustliikluse Prioriteet TABEL 8.2 WiFi-multimeedia pöörduskategooriad WMM-i kogu mõte on seada ressursieralduse protsessi käigus esikohale erinevad rakenduste liikluse klassid. Nagu on näidatud joonisel 8.10, on kõne juurdepääsukategoorial ressursieralduse taotluse esitamiseks paremad koefitsiendid. Kõneliikluse jaoks on vajalik minimaalne ooteaeg SIFS+2 ajapilu ja seejärel 0–3 pilu pikkune ressursitaotlusaken enne andmekandjale edastamist. Best effort-tüüpi liiklus peab ootama minimaalselt SIFS-i ja 3 ajapilu, millele järgnevad ressursitaotlusteks eraldatavad 0–15 ajapilu. Ressursitaotluse protsess on endiselt täiesti pseudojuhusliku algoritmi põhine; kuid tõenäosus edastusõigus saada on kõneliikluse jaoks suurem. JOONIS 8.10 WMM pöörduskategooriate ajastus Wi-Fi Alliance määratles ka WMM-PS (Power Save), mis kasutab 802.11e energiasäästumehhanisme kliendiseadmete aku tööea pikendamiseks. Teine Wi-Fi Alliance'i sertifikaadi nõue on juhtimisloogika WMM-Admission Control, mis määratleb juhtimiskaadrite kasutamise AP ja kliendijaama vaheliseks signaalimiseks. Kliendijaamad saavad taotleda ressursieraldust konkreetse WMM-i pöörduskategooria kaadrite liiklusvoo (ingl k Traffic Stream, TS) saatmiseks. Liiklusvoog võib olla ühesuunaline või kahesuunaline. AP hindab kliendijaama taotluskaadrit võrgu koormatuse ja kanalitingimuste suhtes. Kui AP suudab taotluse rahuldada, võtab ta taotluse vastu ja eraldab kliendijaamale liiklusvooks keskmise ajaperioodi. Kui taotlus lükatakse tagasi, ei ole kliendiseadmel lubatud soovitud liiklusvoogu algatada ja ta võib otsustada liiklusvoo edasi lükata, seostada teise AP-ga või seada sisse seanss Best Effort-liiki liiklusvooks väljaspool WMM-Admission Controli tööd. WMM-Admission Control parandab aegkriitiliste andmete, näiteks video- ja kõneliikluse jõudlust ning käimasolevate rakenduste töökindlust, vältides ribalaiuse ülemärkimist. Eetriaja õiglus (ingl k Airtime Fairness) 802.11 üks olulisi omadusi on selle võime toetada paljusid erinevaid andmeedastuskiirusi. See võimaldab vanematel tehnoloogiatel endiselt suhelda koos uuemate seadmetega ning võimaldab seadmetel sidet säilitada, lülitudes pöörduspunktist eemaldudes ümber aeglasemale andmeedastuskiirusele. Võimalus kasutada neid aeglasemaid andmeedastuskiirusi on 802.11 side jaoks ülioluline; kuid see võib olla ka tohutu takistus võrgu üldisele jõudlusele ja üksikutele seadmetele, mis töötavad suurema andmeedastuskiirusega. Kuna 802.11 on konkurentsipõhine, peab iga raadio kaadri saatmiseks edastusõigust taotlema. Seejärel saab ta sidet pidada, siis edastada ja seejärel peab naasma taotlusprotsessi juurde. Kuna iga raadio edastus kandjal toimub järjekorra alusel, peavad teised 802.11 raadiod seniks (kuni neile ei ole edastusõigust eraldatud) ootama. Kui edastav raadio kasutab suurt andmeedastuskiirust, ei pea teised raadiod kaua ootama. Kui edastav raadio kasutab väikest andmeedastuskiirust, peavad teised raadiod ootama palju pikemat aega. Kui 802.11 raadiod edastavad väga väikese andmeedastuskiirusega, näiteks 1 Mbit/s ja 2 Mbit/s, põhjustavad nad tegelikult kõrgema andmeedastuskiirusega saatjate jaoks oluliselt suuremal määral liiasust pikema ooteaja tõttu, mis on tingitud aeglasemate seadmete olulisemalt pikemast edastusajast. Selle mõistmiseks vaadake joonist 8.11. Joonise ülemine osa illustreerib kahe jaama normaalset tööd, millest igaüks saadab kaheksa kaadrit. Üks jaam saadab kaheksa kaadrit suurema andmeedastuskiirusega ja teine jaam saadab kaheksa kaadrit madalama andmeedastuskiirusega. Kui samas WLAN-is eksisteerib koos suure ja väikese kiirusega seadmeid, peavad nad edastamisaega ühiselt kasutades kanaliressursi nimel konkureerima. Teisisõnu, mõlemad jaamad saavad statistiliselt võrdse arvu kordi, et pääseda juurde RF-kandjale, kuigi üks jaamadest on võimeline edastama suurema kiirusega ja nõuab sama hulga andmete edastamiseks palju vähem eetriaega. Kuna kõrgema andmeedastuskiirusega jaamale ei ole antud prioriteeti, lõpetavad mõlemad jaamad oma kaheksa kaadri edastamise sama aja jooksul. JOONIS 8.11 Eetriaja õigluse näide Selle asemel, et eraldada kõigile seadmetele võrdselt jaotuv juurdepääs võrgule, on eetriaja õigluse eesmärk eraldada kõigile edastuseks võrdselt aega, mitte tagada võrdsed võimalused edastuseks loa saamisel. Eetriaja õiglus võib pakkuda raadiosagedusliku kandja paremat ajajuhtimist. Joonise 8.11 alumises pooles on eetriaja õiglus (ingl k airtime fairness) lubatud; näeme, et suurema andmeedastuskiirusega jaamale antakse eelisõigus väiksema andmeedastuskiirusega jaama ees. Tegelikult on see palju ortstarbekam edastusaja kasutamine, kuna suurema andmeedastuskiirusega jaam ei pea väiksema andmeedastuskiirusega edastuste tõttu jõude ootama. Pange tähele, et kiirem jaam edastas kõik kaheksa kaadrit palju lühema aja jooksul ja aeglasema kiirusega jaam saatis kõik kaheksa kaadrit ikkagi umbes sama aja jooksul kui varem. Eetriaja õiglus saavutab tõhusalt kandja parema ajajuhtimise, vähendades ooteaegu. Netotulemus on parem jõudlus, suurem läbilaskevõime ja suurem läbilaskevõime WiFi-võrgu kaudu. Praegu ei määratle ükski 802.11 standard ega muudatus eetriaja õiglust ega seda, kuidas seda rakendada, samuti ei ole tootjatel kohustust seda rakendada. Eetriaja õigluse mehhanisme kasutatakse tavaliselt selleks, et eelistada AP-st allalülis kiireid andmeedastusi aeglasematele andmeedastustele AP-st. Igasugune eetriaja õigluse rakendamine on patenteeritud lahendus, mille on välja töötanud iga WLAN-i tootja. Olenemata sellest, kuidas iga tootja oma lahendust rakendab, on põhieesmärk sisuliselt sama: vältida aeglasemate seadmete poolt ülejäänud võrgu läbilaskevõime ummistamist. Näiteks HPE Aruba seadmetesse arendatud tootja tarkvaras on järgmised võimalused: Joonis 8.12. HPE Aruba eetriaja õigluse seadistusvõimalused Kuigi iga WLAN-i tootja kasutab eetriaja õigluse rakendamisel oma lähenemisviisi, on tüüpiline, et analüüsitakse järgmise etapi kliendiliiklust ja määratakse jaamadele eraldatavat eetriaega erineva kaaluga, tuginedes sellistele omadustele nagu praegune läbilaskevõime, kliendiandmete määrad, SSID, PHY tüüp ja muud muutujad. Selle teabe töötlemiseks ja iga kliendi järgnevate edastuste võimaluste arvu määramiseks kasutatakse erinevaid algoritme. Õige rakendamise korral kasutab eetriaja õiglus kandjat paremini, pakkudes eelisjuurdepääsu suurema andmeedastuskiirusega edastusteks. Siiski on iga konkreetse tootja seadmete kontekstis selle funktsiooni talitluse toimet otstarbekas praktikas üle kontrollida, kuna iga riistvara- ja tarkvaraversiooni muutus võib tootjaomaste funktsioonide talitlusviisi muuta. Wi-Fi-süsteemi talitluse testimiseks sobivaid meetodeid ja vahendeid käsitleme edaspidi. Kokkuvõte Selles peatükis keskenduti 802.11 kandjapöördusele. Igal jaamal on õigus suhelda ja traadita andmekandjale juurdepääsu haldamist juhitakse kandjapöörduse juhtimise (ingl k Medium Access Control, MAC) kaudu. Arutasime CSMA/CD ja CSMA/CA erinevust ressursieralduse meetoditena. CSMA/CA kasutab pseudojuhuslikul algoritmil põhinevat pöörduse juhtimismeetodit, mida nimetatakse hajuskoordineerimisfunktsiooniks (DCF). DCF kasutab nelja kaitseliini kindlustamaks, et pooldupleksandmekandjal oleks tagatud korraga ainult ühe 802.11 raadio edastus. 802.11e teenusekvaliteedi muudatusega lisati 802.11 pöördusloogikale uus koordineerimisfunktsioon, mida tuntakse hübriidse koordineerimisfunktsioonina (HCF). Wi-Fi Multimedia (WMM) sertifikaadi võttis Wi-Fi Alliance kasutusele 802.11e muudatusena. WMM on loodud vastama QoS-i nõuetele aegkriitiliste rakenduste (nt heli, video ja kõne) jaoks üle IEEE 802.11. Eetriaja õiglus võeti kasutusele selleks, et tootjad saaksid pakkuda kiiremaid seadmeid, millel on eelisjuurdepääs kandjale, kui nad töötavad samas traadita võrguinfrastruktuuri segmendis koos seadmetega, mis edastavad väiksema andmeedastuskiirusega.