Slidy z prednášky
YouTube

1.  Viacnásobný prístup k spoju

Na spojenie počítačov v rámci jednej siete je možné použiť buď drôtový alebo bezdrôtový spoj. V závislosti od toho, či chceme, aby na danom spoji komunikovali iba dve zariadenia alebo viac zariadení, rozdeľujeme spoje na typy bod-bod (point-to-point) a na zdieľané spoje.

Spoje typu bod-bod sú vo všeobecnosti realizovateľné jednoduchšími metódami, poskytujú komunikáciu na väčšie vzdialenosti a niekedy aj vyššie prenosové rýchlosti. Príkladom takého protokolu môže byť PPP (point-to-point protocol), ktorý sa používa pre dial-up pripojenia. Často sa však aj na spojoch typu bod-bod používajú metódy vyvinuté pre zdieľané spoje. Napríklad na spojenie uzlu so switchom v sieti Ethernet, alebo na komunikáciu dvoch smerových mikrovlnných antén cez Wi-Fi.

To, kedy môže ktorá stanica v zdieľanom spoji vysielať, určuje prístupová metóda k zdieľanému spoju. Všetky prístupové metódy s viacnásobným prístupom predpokladajú, že dva alebo viac uzlov zdieľa spoločné komunikačné médium. Naviac, ak sa používajú aj rovnaké vysielacie frekvenčné pásma, tak pri súčasnom vysielaní ľubovoľných dvoch uzlov dochádza k interferencii ich vysielaní, čím sa obe vysielané správy navzájom znehodnotia. V takom prípade hovoríme o kolízii. Všetky prístupové metódy s viacnásobným prístupom sa musia s kolíziami nejako vysporiadať, nakoľko základná podmienka na úspešný prenos paketu je, aby počas celej doby vysielania nedošlo ku kolízii.

1.1  Ideálna prístupová metóda s viacnásobným prístupom

V ideálnom prípade by sme chceli používať takú prístupovú metódu, že využívame celú šírku frekvenčného pásma danú spojom na dátové prenosy (aby sme dosahovali najvyššie možné prenosové rýchlosti). Povedzme, že máme šírku pásma, ktorá umožňuje maximálnu prenosovú rýchlosť R (bitov za sekundu). Potom by prístupová metóda mala mať nasledovné vlastnosti:

  1. Ak chce vysielať iba jeden uzol zo všetkých uzlov, ktoré sú napojené na zdieľaný spoj, mal by vysielať plnou rýchlosťou v celej šírke prenosového pásma rýchlosťou R.
  2. Ak chce súčasne vysielať M uzlov, tak každý z nich by mal vysielať rovnakou rýchlosťou R/M.
  3. Toto riešenie by malo byť plne decentralizované bez prítomnosti riadiaceho uzla a bez potreby synchronizácie uzlov. Riadiaci uzol je potenciálny bod zlyhania, ktorý by znefunkčnil celú sieť. Synchronizácia si obvykle vyžaduje dodatočné synchronizačné pakety, ktorých prítomnosť znižuje rýchlosť prenosu dátových paketov.
  4. Je jednoduchá na implementáciu (ideálne hardvérovú).

Takáto prístupová metóda zatiaľ nebola vymyslená. Reálne metódy sú navrhované tak, aby sa k nej čo najviac približovali.

1.2  Delený kanál

Prístupové metódy s delením kanála fungujú na rozdelení prenosového pásma na toľko častí, koľko staníc sa na danom spoji nachádza. Delenie kanála môže byť uskutočnené rozdelením frekvenčného pásma na menšie, alebo delením času, v ktorom sa môže vysielať.

TDMA: time division multiple access je realizované tak, že sa rozdelí kanál v čase. Najprv sa určí nejaký časový úsek, kolo, počas ktorého sa vystriedajú všetky stanice v prístupe k plnej šírke prenosového kanála. V rámci jedného kola dostane každá stanica nejaký časový úsek, počas ktorého môže vysielať. Tieto časové úseky môžu byť rovnaké, ale je možné určiť stanice, ktoré majú časové úseky dlhšie, či kratšie ako ostatné.

FDMA: frequency division multiple access delí frekvenčné pásmo na menšie frekvenčné pásma. Každé z týchto menších frekvenčných pásiem je priradené inému uzlu. Uzly môžu vysielať kedykoľvek, každý však iba takou rýchlosťou, akú mu umožňuje jemu pridelené frekvenčné pásmo.

Oba tieto spôsoby využívajú prenosové pásmo ideálne v prípade, že všetky uzly niečo vysielajú. Ak bolo delenie nastavené rovnomerne, tak každý uzol využíva rovnakú šírku pásma. Ak však niektoré uzly nevysielajú, im pridelený čas alebo frekvencia sú nevyužité a ostatné uzly nevedia tieto uvoľnené prostriedky využiť.

Výhodou tohto prístupu je absencia kolízií aj akýchkoľvek riadiacich paketov.

Na princípe delenia kanála fungujú napríklad telefónne mobilné siete alebo ISDN.

1.3  Prístupové metódy pre zdieľaný prístup k spoju

Prístupové metódy pre zdieľaný prístup poskytujú stanici vždy plný prístup k celému prenosovému pásmu, avšak bez riadenia toho, kto môže kedy vysielať. Ak dve alebo viac staníc vysiela súčasne celou šírkou spoločného prenosového pásma, dochádza ku kolíziám. Ako sme si povedali, kolízie spôsobujú, že vysielané rámce sú znehodnotené. Tieto prístupové metódy majú teda dva hlavné problémy: ako odhaliť kolíziu a ako sa zotaviť z toho, ak kolízia nastane.

ALOHA

Sieť ALOHAnet vznikla v roku 1970 na univerzite na Havaji na realizáciu lacnej bezdrôtovej siete. Základné myšlienky prístupovej metódy ALOHA boli neskôr použité pri vytváraní prístupových metód Ethernetu (CSMA/CD a CSMA/CA).

Prístupová metóda ALOHA predpokladá, že všetky rámce majú rovnakú veľkosť. Pravidlá toho, kedy vysielať, sú jednoduché:

  1. ak máš čo vysielať, vysielaj
  2. ak zistíš, že došlo ku kolízii, počkaj náhodný čas a skús vyslať datagram znova

Tento algoritmus je skutočne jednoduchý. V prípade, že iba jeden uzol potrebuje vysielať, môže využívať celú šírku pásma po celý čas vysielania. Ak však už chce vysielať viac uzlov, môže dochádzať ku kolíziám. Vyslaný rámec môže mať kolíziu s nejakým rámcom, ktorý je už práve vysielaný alebo s rámcom, ktorý začal byť vysielaný počas svojho vysielania. Ak čas potrebný na vyslanie 1 rámca je T a rámec sme začali vysielať v čase t, tak kolízia nastáva s rámcami, ktorých vysielanie začalo niekedy v čase (t–T, t+T).

Na výpočet efektivity využitia pásma predpokladáme, že máme N uzlov, ktoré chcú neustále vysielať. Efektivita vyjadruje pomer úspešných prenosov k neúspešným pri optimálnej pravdepodobnosti začatia vysielania po kolízii vzhľadom na počet uzlov N. Ak sa N blíži k nekonečnu, tak efektivita ALOHY je 1/(2*e) čo je iba zhruba 18,4 %. To znamená, že iba takéto percento rámcov sa úspešne prenesie bez kolízie.

Úseková ALOHA

Vylepšením originálnej ALOHY je úseková ALOHA (slotted ALOHA). Pri tejto prístupovej metóde sa jednotlivé uzly musia synchronizovať a určiť si časové okamihy, v ktorých môžu začať vysielať. Čas je teda rozdelený na úseky. Algoritmus je skoro rovnaký:

  1. ak máš čo vysielať, začni to vysielať na začiatku ďalšieho úseku
  2. ak zistíš, že došlo ku kolízii, počkaj náhodný počet úsekov a skús vyslať datagram znova v ďalšom úseku.

Kolízia teda môže nastať iba s tými rámcami, ktoré boli vyslané v tom istom časovom úseku. Efektivita sa vďaka tomuto vylepšeniu zvýšila na 36,8%.

V tom čase to bola prelomová technológia. Hlbšou analýzou sa však dajú nájsť negatíva tohto prístupu. Okrem nutnej synchronizácie, sú to aj výskyty nevyužitých úsekov aj vtedy, keď stanice majú čo vysielať (lebo náhodou všetky práve čakajú náhodný počet úsekov), a aj to, že kolízie by sa mohli dať zistiť už pred doposielaním celého rámca (načo ešte posielať zvyšok rámca, keď sa aj tak zahodí).

CSMA

CSMA je skratka od carrier sense multiple access teda zdieľaný prístup s vnímaním prenosu. Táto metóda je vylepšením pôvodnej metódy ALOHA takým spôsobom, že uzol nezačne vysielať, ak na spoji registruje vysielanie niektorého iného uzla. To znamená, že nezačne vysielať, keď je evidentné, že by spôsobil kolíziu. Kolízie však môžu naďalej nastávať. Dôvodom je to, že signál vysielaný jedným uzlom sa šíri spojom „iba“ takmer svetelnou rýchlosťou a pokiaľ dôjde k iným uzlom, ubehne nejaký čas, počas ktorého môžu tieto uzly začať vysielať, neuvedomujúc si, že spôsobia kolíziu, keďže zatiaľ neregistrujú vysielanie iného uzla.

V CSMA, ak aj nastane kolízia, stanice odošlú celý paket aj tak. Počas svojho vysielania totiž už nevnímajú, čo sa deje v spoji.

CSMA/CD

CSMA je skratka od carrier sense multiple access and collision detection teda zdieľaný prístup s vnímaním prenosu a detekciou kolízií. Je vylepšením prístupovej metódy CSMA v tom, že ak počas vysielania nastane kolízia, je okamžite prerušené vysielanie. Bez detekcie kolízií totiž obsadzujeme spoj, aj keď je jasné, že sa odosielaný rámec zahodí.

Odhalenie kolízie počas vysielania je jednoducho realizovateľné v drôtových spojoch. Väčšie problémy už spôsobuje odhalenie kolízie pri bezdrôtových spojeniach, kedy energia vysielania je obvykle mnohokrát väčšia ako energia prijímaných signálov vyslaných z iných uzlov. Preto sa pri bezdrôtových spojoch CSMA/CD nepoužíva. Namiesto toho sa pri bezdrôtových spojoch používajú iné metódy napríklad CSMA/CA alebo prístupová metóda technológie WiMAX.

Samotný algoritmus CSMA/CD funguje nasledovne:

  1. Ak máš čo vysielať, a na spoji neregistruješ žiadne vysielanie, začni vysielať svoj rámec.
  2. Ak máš čo vysielať a na spoji registruješ cudzie vysielanie, začni vysielať, až keď ho prestaneš registrovať.
  3. Ak vysielanie celého rámca prebehlo bez toho, aby bolo počas vysielania registrované aj cudzie vysielanie, považuj rámec za úspešne odoslaný.
  4. Ak počas vysielania zistíš, že vysiela aj niekto iný, ukonči vysielanie rámca a vyšli JAM signál. JAM signál je signál takej intenzity, aby určite všetky uzly na spoji zaregistrovali, že došlo ku kolízii. Tento JAM signál sa vysiela po dobu 48 bitových intervalov. Bitový interval je čas, ktorý je potrebný na vyslanie jedného bitu v danom spoji. Napríklad, ak je prenosová rýchlosť spoja 1 Mb/s, tak bitový interval je 1/1 000 000 sekundy teda 1 mikrosekunda.
  5. Po prerušení a prijatí JAM signálu začnú všetky stanice, ktoré chcú vysielať, fázu súperenia: Po m-tej kolízii v poradí si vyber náhodné číslo K z intervalu <0, min{2m-1; 1023}>. Potom čakaj K*slot_time bitových intervalov a potom začni algoritmus CSMA/CD odznova (len s iným m). Ak m-té kolo vyberie úspešne prvého odosielateľa bez vzniku kolízie, fáza súperenia končí. Slot_time predstavuje čas potrebný na vyslanie rámca minimálnej dĺžky, určenom použitou technológiou. Slot_time v 100 Mbit/s Ethernete je čas potrebný na vyslanie 512 bitov.

Fáza súperenia má za úlohu prispôsobiť čas opätovného odoslania rámca vzhľadom na aktuálne požiadavky na vysielanie v danom spoji distribuovaným spôsobom. Ak je potenciálnych vysielateľov málo, stačí im výber z malej množiny možností, aby s veľkou pravdepodobnosťou bol iba jeden z nich taký, ktorý si vyberie najmenšie z vybraných hodnôt K. Ak je potenciálnych vysielateľov veľa, tak je potrebný väčší interval možností, aby si s dostatočne vysokou pravdepodobnosťou dvaja nevybrali rovnaké najmenšie K (najmenšie z tých, čo si stanice vybrali) a nespôsobili tak ďalšiu kolíziu. Keďže to, koľko je potenciálnych vysielateľov, jednotlivé uzly nevedia, tak sa používa tento spôsob postupného zväčšovania intervalu.

Minimálna dĺžka rámca je definovaná preto, aby sa dali definovať rozumné maximálne vzdialenosti dvoch uzlov na jednom spoji. Predstavme si, že chceme prevádzkovať protokol CSMA/CD na spoji s rýchlosťou 100 Mbit/s. To znamená, že na odoslanie jedného bitu potrebuje 10-8 sekúnd. Signál sa v medenom kábli šíri rýchlosťou približne 200 000 km/s t. j. 2*108 m/s. Keď to dáme dokopy, tak pokiaľ uzol vyšle 1 bit, signál prejde vzdialenosť 2 metre. Pri odoslaní posledného bitu minimálneho rámca sa prvý bit tohto rámca už dostal do vzdialenosti 1024 metrov. Teraz si predstavme situáciu, že uzol na druhom konci kábla začne vysielať tesne pred príchodom prvého bitu tohto rámca. Na to, aby náš prvý odosielateľ zistil, že jeho rámec bude v kolízii, musí sa o tejto kolízii dozvedieť ešte pred odoslaním posledného bitu svojho rámca. Z toho vyplýva, že by druhá stanica mala byť teoreticky vzdialená maximálne 512 metrov, aby aj signál od nej stihol prísť k prvej stanici pred tým, ako doposiela svoj rámec. Norma 100Base-TX hovorí o povolenej vzdialenosti iba 100 metrov pri priamom napojení alebo maximálne 200 metrov v prípade hub‑u/repeatera (rozbočovača/opakovača) uprostred medzi stanicami (pre istotu, aby bolo odhalenie kolízie v každom hardvérovom prevedení naozaj úspešné, t.j. aby sa detekcia kolízie naozaj stihla). V prípade použitia optických vlákien, kde rýchlosť šírenia je skoro 300 000 km/s, sa používa norma 100Base-FX, ktorá určuje maximálnu vzdialenosť uzlov na spoji na 412 metrov.

Pri spojoch s väčšou prenosovou rýchlosťou, 1 Gb/s a viac, je potrebné buď výrazne skrátiť maximálnu vzdialenosť, alebo zväčšiť minimálnu veľkosť rámca. Podľa normy 1000Base-T (t.j. v medenom kábli) je minimálna veľkosť rámca zhruba 8 krát väčšia, konkrétne 520 bajtov a maximálna vzdialenosť ostáva na 100 metroch bez hub‑u/repeatera a 200 s hub‑om/repeater-om. Pre optické vlákna podľa normy 1000-Base-SX je maximálna vzdialenosť až do 550 metrov.

Pre väčšie vzdialenosti je už potrebné mať prístupové metódy bez zdieľaného spoja, to znamená spojenie typu bod-bod bez kolízií – full duplex. Full duplex znamená, že si môžu vysielať dáta oba uzly daným spojom súčasne bez vzniku kolízie.

Efektivita prístupovej metódy CSMA/CD závisí okrem počtu staníc, ktoré chcú vysielať, aj od vzdialenosti uzlov a prenosovej rýchlosti. Pri malých vzdialenostiach a veľkých rámcoch sa efektivita blíži k 100%.

1.4  Prístupové metódy so štafetovým prístupom

Prístupové metódy so zdieľaným prístupom sú 100% efektívne v prípade, že chce vysielať iba jeden uzol na zdieľanom spoji, ale s pribúdajúcimi odosielateľmi sa efektivita znižuje. Pri delení kanála je 100% využitie spoja, ak vysielajú všetky uzly a efektivita klesá pri menšom počte vysielajúcich uzlov.

Prístupové metódy so štafetovým prístupom sa snažia zachovať pozitíva oboch. Základom týchto prístupových metód je token, teda akýsi štafetový kolík. Ten, kto práve vlastní token, môže vysielať svoj rámec, kto token nemá, vysielať nesmie. To okrem iného znamená, že sa úplne eliminujú kolízie na zdieľanom spoji.

Token môže byť doručovaný rôznym spôsobom. Jedným zo spôsobov je, že existuje nejaký hlavný uzol, ktorý riadi celú komunikáciu na spoji a prideľuje token postupne všetkým uzlom na zdieľanom spoji. Tým sa samozrejme sieť vystavuje riziku, že ak vypadne hlavný uzol, ostatné uzly si budú musieť medzi sebou zvoliť nový hlavný uzol. Uzly dostávajú token spravidla cyklicky, aby sa na každého dostalo.

Druhý spôsob je ten, že uzly vedia, aké je poradie, v akom majú jednotlivé uzly dostávať tokeny a tak vždy predchádzajúci uzol pošle „svoj“ token ďalšiemu uzlu v poradí. Toto riešenie je na prvý pohľad riešenie bez hlavného uzla. No aj v tomto prípade je potrebné riešiť prípady, že niektoré uzly sa vypínajú a zapínajú. Ak sa náhodou vypne uzol, ktorý práve mal token, nebude už žiaden zapnutý uzol, ktorý by mal token. To znamená, že musí byť vybraný uzol, ktorý pri zistenej strate tokenu generuje nový token. Pri pripojení nového uzla do siete musí existovať mechanizmus, ako sa tento uzol môže zaradiť do kruhu uzlov, ktoré dostávajú token a pri odpojení zasa mechanizmus na vypustenie uzla z kruhu. Príkladom technológií s takýmito prístupovými metódami sú IBM token ring a Token ring IEEE 802.5.

Vo všeobecnosti platí pravidlo, že uzol, ktorý má čo vysielať, vysiela, až keď dostane token. Po odoslaní nejakej danej časti dát pošle token ďalej. Ak uzol nemá čo vysielať, pošle token ďalej ihneď. Tým pádom je efektivita dosť vysoká, aj keď 100% efektivita nie je možná, lebo nejakú časť prenosov treba rátať na posielanie tokenu.

Na princípe tokenov je založených niekoľko technológií pre zbernicové, hviezdové aj kruhové topológie. Napriek mnohým výhodám sa predsa len presadila technológia Ethernetu (prístupová metóda CSMA/CD), najmä kvôli lacnejšiemu hardvéru. Pri štafetovom prístupe totiž treba riešiť vyššie spomenuté problémy spojené so zapínaním a vypínaním zariadení, takže sú potrebné múdrejšie a teda aj drahšie zariadenia.

2.  Bezdrôtové siete

Nástup bezdrôtových spojení je taký veľký, že počet bezdrôtových spojení už presiahol počet spojení cez drôt. Bezdrôtovo sa už nepripájame do internetu iba počítačmi, ale aj mobilnými telefónmi, či rôznymi zabezpečovacími systémami.

Bezdrôtové siete musia riešiť dva hlavné problémy:

  • bezdrôtové spojenie, t.j. schopnosť komunikácie dvoch a viacerých zariadení „vzduchom“
  • mobilita spojenia, t.j. schopnosť stanice viac-menej kontinuálne komunikovať aj pri zmene miesta, cez ktoré sa pripája (napr. prechode medzi BTS anténami mobilných operátorov)

Pri realizácii bezdrôtového spojenia musí tvorca protokolu zohľadniť niektoré špecifiká bezdrôtového spojenia ako sú:

  • Zoslabovanie signálu – Signál, ktorý prijímame, je oveľa slabší ako signál, ktorý vysielame.
  • Zmena frekvencie signálu – Prejavuje sa pri odraze od objektov v priestore a pri vzájomnom pohybe vysielača a prijímača.
  • Interferencie z iných zdrojov žiarenia – Vo voľnom prostredí nie je signál chránený pred interferenciami z okolia tak ako v izolovaných drôtoch. Interferencie môžu spôsobovať iné zariadenia vysielajúce na rovnakej frekvencii, ale aj na prvý pohľad nevinné zdroje žiarenia, ako sú mikrovlnné rúry, či elektromotory.
  • Hidden terminal problem (problém skrytej stanice) a zoslabovanie signálu spôsobujú to, že ak na jednom prenosovom pásme komunikuje viac zariadení, môže sa stať, že dve zariadenia si vzájomne rušia komunikáciu s tretím zariadením aj keď o tom nevedia, lebo sa kvôli prekážke medzi nimi alebo veľkej vzájomnej vzdialenosti nepočujú, aj keď sa s tretím zariadením počuť môžu.

Prvé tri špecifiká majú vplyv hlavne na fyzickú vrstvu, no je vhodné ich poznať pri návrhu prístupovej metódy.

Technológií pri bezdrôtovej komunikácii je veľké množstvo. Líšia sa od seba hlavne prenosovými rýchlosťami, maximálnou vzdialenosťou komunikácie dvoch antén, aj spôsobom napojenia a vysielania. Nás budú zaujímať hlavne protokoly a štandardy, ktoré sú bežné u nás, teda hlavne WLAN (Wi-Fi) – štandardy IEEE 802.11 najmä verzie g, a, n, ac, Bluetooth (z ktorého vznikol štandard 802.15), WiMAX (štandard 802.16) a technológie využívané u mobilných telefónnych operátorov: GSM, GPRS, EDGE, UMTS, UMTS+ a LTE.

2.1  Wireless LAN (Wi-Fi) – IEEE 802.11

Štandard IEEE 802.11 definuje bezdrôtovú LAN sieť, ktorá sa najviac podobá káblovému Ethernetu (ten ako vieme je definovaný v štandarde IEEE 802.3). Wi-Fi nepoužíva prístupovú metódu CSMA/CD ako v drôtovom Ethernete, ale jeho modifikáciu CSMA/CA. K rozdielom medzi týmito prístupovými metódami sa dostaneme neskôr.

Technológia Wireless LAN IEEE 802.11 počas svojho vývoja prešla niekoľkými verziami, ktoré sa líšia prenosovými rýchlosťami a frekvenčnými pásmami, na ktorých vysielajú.

  • verzie 802.11g a 802.11a umožňujú rovnaké prenosové rýchlosti do 54 Mbit/s, ale líšia sa frekvenčnými pásmami. 802.11g pracuje na frekvenciách 2,4-2,485 GHz a 802.11a na frekvenciách 5-6GHz.
  • verzia 802.11n, ktorá sa štandardizovala v októbri 2009 pracuje tiež na frekvenčných pásmach v rozsahu 2,4-2,485 GHz, ale umožňuje prenosové rýchlosti až do 200 Mbit/s, teoreticky až do 600 Mbit/s.
  • verzia 802.11ac, štandardizovaná od decembra 2013, ktorá oproti 802.11n používa širšie kanály na frekvenciách blízkych 5 GHz. Teoretické maximum prenosovej rýchlosti tohto štandardu je 1.69 Gbit/s.

Frekvenčné pásma sú delené na niekoľko kanálov šírky 20-40MHz (802.11ac až do 160 Hz). Niektoré kanály sa navzájom prekrývajú. Tak napríklad 802.11g má 13 kanálov šírky 20 MHz (v Amerike len 11 kanálov), ale ak chceme vybrať iba neprekrývajúce sa, tak okrem krajných (prvého a trinásteho) už môžeme vybrať iba jeden „stredný“ – šiesty, siedmy alebo ôsmy. Ak vaši susedia majú tiež Wi-Fi antény, tak je vhodné, aby ste si nastavili kanály koordinovane tak, aby sa Vám navzájom neprekrývali a nespôsobovali interferencie a teda aj spomalenie prenosových rýchlostí.

Ak sa chceme napojiť na prístupový bod (access point), musíme poznať jeho meno (SSID) a MAC adresu. Celý postup sa dá zjednodušene opísať nasledovne. Prístupové body vysielajú v istých časových intervaloch (typicky 1 sekunda) takzvaný signálny rámec, v ktorom vysielajú svoje SSID a MAC adresu. Stanica si dokonca môže požiadať o okamžité zaslanie signálnych rámcov vyslaním požiadavky hľadania prístupových bodov. Stanica potom ladí cez jednotlivé kanály a odchytáva tieto signálne rámce. Keď si vyberie prístupový bod, na ktorý sa chce napojiť, pošle rámec požiadavky na napojenie na tento prístupový bod. Typicky nasleduje autentifikácia cez WEP, WPA alebo WPA2. Po úspešnej autentifikácii je už spojenie vytvorené a je možné začať komunikovať (napríklad opýtať si IP adresu cez DHCP).

WLAN umožňuje napojenie cez prístupový bod (access point) aj ad-hoc. Pri komunikácii cez prístupový bod susedné zariadenia komunikujú vždy cez prístupový bod. Pri ad-hoc spojení komunikujú zariadenia medzi sebou priamo, alebo sprostredkovane cez iné stanice v prípade, že sa komunikujúce stanice nepočujú (napr. pre hidden terminal problem).

Prístupová metóda CSMA/CA (carrier sence multiple access/collision avoidance)

V sieťach WLAN sa namiesto CSMA/CD (collision detection = detekcia kolízií) používa protokol CSMA/CA (collision avoidance = vyhýbanie sa kolíziám). Detekcia kolízií, teda zistenie vysielania iného zariadenia počas vlastného vysielania, ktorá úspešne funguje v drôtových spojoch sa pri bezdrôtových spojeniach nedá použiť. Dôvodom je zoslabovanie signálu. Keďže práve vysielajúca stanica vysiela signál oveľa väčšej intenzity, ako je intenzita prijímaného signálu vysielaného inými stanicami, nie je možné tento slabý signál počas vlastného vysielania odhaliť. Inými slovami keď stanica vysiela je hluchá.

Čo však ostalo je CSMA, teda počúvanie okolia pred začiatkom vlastného vysielania. Pokiaľ stanica registruje iné vysielanie, nezačne vysielať. Žiaľ aj tento princíp nie je v prípade bezdrôtových spojení až taký účinný ako v drôtových spojeniach. Je tu totiž známy hidden terminal problem a zoslabovanie signálu, ktoré môžu zapríčiniť, že stanica neregistruje vysielanie inej stanice, lebo aj keď je signál tohto vysielania dostatočne silný pre prístupový bod, nemusí byť registrovateľný pre stanicu za prekážkou alebo z opačnej strany prístupového bodu ako vysielajúca stanica.

Samotný algoritmus CSMA je kvôli neschopnosti odhaliť kolízie jemne pozmenený. Hlavnou zmenou je zabezpečenie spoľahlivosti spojenia cez potvrdzovacie (ACK) rámce. Na rozdiel od spoľahlivého TCP protokolu, je potvrdenie realizované po každom rámci. Potvrdzovanie je nutné kvôli zvýšenému riziku interferencií, ale hlavne kvôli neschopnosti detekcie kolízií. Pri použití prístupovej metódy CSMA/CD stanica po odoslaní rámca bez odhalenia kolízie pokladá rámec za úspešne odoslaný. Pri bezdrôtovom spojení si musí počkať na potvrdenie o úspešnom prijatí.

Odosielateľ:

  1. Ak neregistrujeme vysielanie počas daného krátkeho času (pre zaujímavosť zvaného DIFS, čo znamená DCF Interframe space, kde DCF je „distributed coordination function“), pošleme celý rámec. Nevieme totiž počas vysielania odhaliť kolíziu.
  2. Ak registrujeme vysielanie:
    1. vygeneruj si číslo
    2. ak nik nevysiela, znižuj toto číslo, ak vysiela neznižuj ho
    3. ak dopočítaš do nuly pošli celý rámec
    4. ak nepríde potvrdenie, začni znova bodom 1.

Príjemca:
Ak prišiel rámec v poriadku, počkaj daný krátky čas (kratší ako DIFS – zvaný SIFS=short interframe space) a pošli potvrdenie o prijatí rámca. Tento čas sa čaká kvôli tomu, aby sa stanice stihli prepnúť z módu prijímania do módu vysielania a naopak.

Rozšírenie tohto algoritmu o „/CA“, teda o collision avoidance = vyhýbanie sa kolíziám, sa snaží eliminovať vznikanie kolízií na maximálne možnú mieru a to hlavne pre zariadenia, ktoré sa navzájom nepočujú. Idea tohto rozšírenia je taká, že prístupový bod vyšle rámec (nazývaný CTS=clear-to-send) všetkým zariadeniam s informáciou o tom, ktoré zariadenie bude v najbližšom čase vysielať. Ostatné zariadenia sú v tom čase ticho a tak počas tohto vysielania nevznikne kolízia ani so zariadeniami, ktoré toto vysielanie nepočujú.

Ak si chce nejaká stanica rezervovať čas na svoje vysielanie, pošle RTS (request-to-send) rámec prístupovému bodu a ten potom pre túto stanicu rezervuje vysielací čas cez CTS rámec. Samozrejme sa úplne všetky kolízie týmto neodstránia. Stále môže dochádzať ku kolíziám RTS rámcov viacerých staníc, alebo ku kolízii RTS a CTS rámcov. Tieto rámce sú však malé a tak kolízie netrvajú tak dlho ako v prípade oveľa väčších dátových rámcov.

Nasledujúci obrázok ukazuje situáciu, keď sa o rezerváciu pokúsili súčasne stanice A a B. Keďže došlo ku kolízii, prístupový bod (AP) nebol schopný prečítať ani jeden z rezervačných RTS rámcov. Následne si obe stanice vygenerovali číslo používané pri čakaní na vysielanie. Keďže si stanica A vygenerovala menšie číslo, stanica B nestihla vysielať a ku kolízii nedošlo. Prístupový bod prijal RTS rámec a vyslal CTS rámec s informáciami o tom, že bude vysielať stanica A počas daného množstva času. Stanica B tento CTS rámec prijme a musí sa na tento čas odmlčať. Zatiaľ stanica A tiež prijme tento CTS rámec a môže začať vysielať. Po prijatí potvrdenia o prijatí sa môžu opäť všetky stanice usilovať o rezerváciu vysielacieho času.

Rámec štandardu IEEE 802.11

Rámec pre WLAN IEEE 802.11 (Wi-Fi) spojenia má omnoho zložitejšiu hlavičku ako rámec 802.3 drôtového Ethertnetu. V hlavičke totiž musia byť informácie potrebné na zabezpečenie spoľahlivosti (potvrdzovanie), informácie zahrnuté v signálnych rámcoch, ktoré posielajú prístupové body, podpora pre šifrovanie, informácie v RTS a CTS paketoch, ale napríklad aj informácie na riadenie výkonu vysielača a prijímača.

Čo je možno na prvý pohľad zarážajúce, je to, že rámec 802.11 obsahuje až 4 MAC adresy. Dve adresy slúžia rovnako ako v rámci 802.3 na identifikáciu odosielateľa a príjemcu rámca v sieti. Ďalšie dve adresy identifikujú zariadenia, ktoré si práve posielajú rámec po bezdrôtovom spoji, pričom ani jedno z nich nemusí byť pôvodný odosielateľ alebo cieľový príjemca rámca. Rámec totiž môže v sieti putovať cez viacero prístupových bodov alebo staníc (v prípade ad-hoc spojenia), kým sa dostane k cieľovej stanici v sieti. Koncová a cieľová stanica dokonca ani nemusia byť napojené bezdrôtovo. Stačí, že na ceste k cieľovej stanici prechádza tento rámec nejakým bezdrôtovým spojom. V drôtových spojoch na ceste sa používa stále rámec 802.3. Na rámec 802.11 sa prekladá iba na tej časti cesty, kde je bezdrôtový spoj. Je potrebné si všimnúť, že každý prístupový bod má svoju MAC adresu na rozdiel od hubov a switchov v drôtovom Ethernete.

2.2  Bluetooth a IEEE 802.15

Technológia Bluetooth a z neho vytvorený štandard IEEE 802.15 (pre Bluetooth v1.2) sú navrhnuté iba pre ad-hoc architektúru bez prístupových bodov. Sú určené na komunikáciu na menšie vzdialenosti (do 10 metrov) a predpokladá menšie energetické výdaje ako WLAN 802.11. Prenosové rýchlosti sú o niečo menšie ako pri WLAN 802.11. Bluetooth v2.1 zvyšuje túto rýchlosť na 3Mb/s. Verzia 3.0 sa používa na riadenie spojenia a veľké dáta posiela cez Wi-Fi. Bluetooth 4.0, nazývaný „Bluetooth Smart“, priniesol klasický Bluetooth (pre legacy podporu), vysokorýchlostný Bluetooth (založený na používaní Wi-Fi) a nízkoenergetický protokol (určený pre baterkové zariadenia). Bluetooth 5 dosahuje rýchlosti 2 Mbit/s bez použitia Wi-Fi so zameraním sa na IoT. Zámerom Bluetooth nie je mať vysoké prenosové rýchlosti (na to tu máme Wi-Fi) ale jednoduché a rýchle pripojenie ľubovoľných dvoch či viacerých zariadení medzi sebou. Zapojené zariadenia sa delia na master zariadenie a slave zariadenia. Master rozdeľuje, kto bude vysielať. Zariadenia si dokonca môžu meniť role a ľubovoľný slave sa môže stať mastrom a naopak.

2.3  WiMAX – IEEE 802.16

Siete typu WiMAX sú navrhnuté iba pre architektúru napojenia cez prístupové body. Výhodou WiMAXu je oveľa väčšia komunikačná vzdialenosť ako v prípade WLAN 802.11 a to až 10-20 km. Prenosové rýchlosti dosahujú 14 Mbit/s. Protokol WiMAXu je navrhnutý tak, že komunikácia je rozdelená na kolá, v ktorých má každé zariadenie vyhradený čas na vyslanie nejakej informácie. Na začiatku kola vždy najprv prístupový bod posiela dáta všetkým zariadeniam, pre ktoré má dáta. Ak informácia od stanice hovorí o tom, že chce odosielať dáta, v ďalšom kole je jej pridelený väčší priestor na odoslanie dát. Každý odosielateľ má v čase jeho vysielania vyhradené celé pásmo iba pre seba, aby nevznikali kolízie.

2.4  Vysielanie v širokom pásme

Regulačný úrad špecifikuje výkon signálu, ktorý môže vyžarovať jeden vysielač. Tento výkon môže byť sústredený do úzkeho frekvenčného pásma alebo rozložený do viacerých pásiem. Vysielanie v úzkom pásme má vysokú citlivosť na iné vysielania a prípadná interferencia v tomto pásme spôsobuje znehodnotenie signálu. Tieto problémy sa dajú riešiť prístupovými metódami k zdieľanému spoju. Iným riešením je využiť široké pásmo a interferencie obmedziť takzvaným frekvenčným skákaním, pri ktorom odosielateľ aj príjemca niekoľkokrát za sekundu preladia na inú, vopred známu frekvenciu a vyšlú kúsok dát na nej a potom sa zas preladia. Ak je takýchto prelaďovaných frekvencií veľa a prelaďovanie využívajú všetky vysielače, výrazne sa znižuje pravdepodobnosť interferencie. Túto techniku využíva napr. technológia Bluetooth, ktorá využíva prelaďovanie až 1600x za sekundu.

Vysielanie v širšom pásme má nižšiu intenzitu vo svojich podpásmach a aj vyššiu pravdepodobnosť, že v niektorej časti pásma dôjde k interferencii a v inej nie. Ak sa vysiela rovnaká informácia vo všetkých pásmach súčasne, tak ak dôjde k interferencii iba v niektorých z nich a ostatné budú prijaté v poriadku, príjemca je schopný extrahovať dáta správne. Takéto riešenie využívajú napríklad technológia DSSS využívaná napríklad v signále GPS alebo CDMA v mobilných sieťach.

3.  Otestujte sa

zdroje: