1.4.Описание иерархических моделей выделенных узлов сети и терминалов в  соответствии с рекомендациями OSI. Краткий анализ необходимых уровней с обоснованием основных выполняемых задач. Оценка необходимости наличия сетевого и транспортных уровней в разрабатываемой системе.

Модель OSI описывает схему взаимодействия сетевых объектов, определяет перечень задач и правила передачи данных. Она включает в себя семь уровней: физический (Physical), канальный (Data-Link), сетевой (Network), транспортный (Transport), сеансовый (Session), представления данных (Presentation ) и прикладной (Application). 

В проектируемой сети, нас будут интересовать нижние уровни модели OSI (физический и канальный). Проведем краткий анализ необходимых уровней.

Рассмотрим верхние уровни модели (прикладной, представительский и сеансовый). В разрабатываемой сети эти уровни можно объединить  в один - уровень принятия решения (рис.7). Данный уровень выполняет основные функции  «мозгового» центра сети. Основной задачей этого уровня является анализ данных, полученных с нижележащих уровней, на основании которого формируется решение о дальнейших действиях системы. Уровень принятия решений непрерывно взаимодействует с информационной подсистемой и с остальными уровнями. Он принимает решения о принадлежности передаваемых пакетов тому или иному терминалу, а так же о возможности обслуживания абонента АР. Данные решения принимаются исходя из содержания специальных служебных полей пакетов и на основе сценариев взаимодействия АР с терминалами.

 Транспортный уровень служит для обеспечения приложениям верхнего уровня доставки сообщений с необходимой степенью надежности. Принцип гарантированной доставки основан на том, что передающая сторона всегда «знает», были ли доставлены данные приемной стороне или нет. Это обеспечивается тем, что принимающая сторона подтверждает успешный прием данных. Если передающая сторона не получает подтверждения, то возникает необходимость в повторной передаче пакета.

 Сетевой уровень ответственен за маршрутизацию пакетов при взаимодействии нескольких сетей. Его основной задачей является доставка пакетов сетевого уровня любому узлу сети и маршрутизация. Исходя  из того, что в проектируемой сети данные передаются от терминала к АР и от АР к терминалу, а это является простейшим путем передачи данных, который не требует сложных маршрутов, приходим к  выводу: наличие сетевого и более высоких уровней в нашей сети не требуется.

 Рассмотрим подробнее канальный уровень (рис.7).

 Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Протоколы канального уровня обеспечивают доставку сообщений только между узлами одной локальной сети. 

 Канальный уровень подразделяется на 2 подуровня:

 1.     подуровень адресации и формирования всех видов сообщений (MAC)

 2.     подуровень управления доступом к физическому каналу связи (CAC).

 MAC - подуровень использует информацию из таблицы маршрутизации (статья 1), для реализации адресации при передаче сообщений канальным уровнем. Эта таблица хранится в информационной подсистеме АР. Также на МАС  подуровне происходит формирование нескольких типов пакетов:

- пакет служебной информации;

- пакет трафика.

Также на канальном уровне происходит обнаружение ошибок путем расчета контрольной суммы (CRC). Которая также вычисляется на стороне получателя по некоторому известному алгоритму и сравнивается с полученной в кадре. Если значения совпадают, кадр считается правильным. Если значения контрольных сумм не совпадают, фиксируется ошибка, и формируется запрос на повторную передачу поврежденного кадра, в соответствии с его номером.

 САС подуровень реализует многостанционный алгоритм доступа к каналу связи. В данной системе конкурентная борьба за канал связи осуществляется на основе метода CSMA, суть которого заключается в том, что перед передачей данных станция прослушивает канал. Но в случае, если канал уже используется, то терминал ожидает наступления очередного этапа конкурентной борьбы за физический канал связи и алгоритм повторяется заново (п.1.5.2). 

Рассмотрим физический уровень (рис.7) .

 Физический уровень – это нижний уровень модели, необходимый непосредственно для передачи потока данных. Этот уровень реализует физическое соединение двух сетевых устройств по соединению точка- точка. В данной системе физический уровень предназначен для передачи потока данных от терминала к точке доступа и наоборот.

Функции, выполняемые физическим уровнем:

•  Модуляция/демодуляция. Предназначена для переноса сигнала на заведомо известную несущую частоту и для дальнейшей передачи его по радиоканалу.
• Формирование сигналов. В данной системе для формирования сигналов будет использоваться OFDM .
•  Кодирование / декодирование. Требуется для обнаружения и исправления ошибок, возникающих при передаче, путем добавления избыточности в информационную последовательность. В данной системе будем использовать сверточное кодирование с кодовой скоростью 1/2 и длиной кодового ограничения 7.
• Перемежение / деперемежение.  Применяется для борьбы с замираниями и возникновением связанных с ними пакетов ошибок. Суть перемежения в том, что происходит перестановка символов кодированной последовательности до ее модуляции и восстановлении исходной последовательности после демодуляции.
• Синхронизация, необходима для того, чтобы передающий узел данных мог передать какой-то сигнал принимающему узлу, а принимающий узел знал, когда начать прием поступающих данных. Наиболее важным типом синхронизации для сети является частотная синхронизация. Она означает, что все генераторы сети работают с одинаковой частотой, скорость передачи цифровой информации равна скорости приема, в результате в системе связи нет потерь информации. Временная синхронизация или синхронизация по времени предусматривает, что все устройства в сети имеют единое время. Следует отметить, что  временная синхронизация  представляет собой совершенно независимую от частотной синхронизации задачу. В данной сети синхронизация осуществляется с помощью добавления преамбулы к передаваемому сообщению и использовании пилот-сигналов OFDM.
• Сборка/разборка пакетов.  Это блок осуществляет формирование пакетов канального уровня, а также выделение полей принятого сообщения.
• Проведение измерений уровня сигнала в сети. Проведение измерений играет ключевую роль в функционировании разрабатываемой сети. На основании данных измерений модуль управления принимает решение о выборе того или иного профиля работы системы.

Таким образом, структура описанных выше уровней будет выглядеть следующим образом (рис. 7):

Рисунок 7. Схема функционирования уровней разрабатываемой сети.

 1.5. Проработка задач верхнего уровня.

1.5.1. Определение и краткая характеристика возможных режимов работы абонентского терминала, отражающих решения выполненных ранее п.1.1-1.3. Построение целостной диаграммы состояний терминала,

отражающей функциональные связи режимов работы. Проработка понятия сеанса соединения, возможные атрибуты соединения. Анализ способов обеспечения энергосбережения.

В проектируемой сети, включенные терминалы могут находиться в двух состояниях: активном и пассивном. В активном состоянии терминал находится тогда, когда есть необходимость в передаче или приеме сообщений, а на все остальное время терминал переходит в пассивное состояние. В пассивном состоянии терминал находится большую часть времени, тем самым обеспечивая экономное энергопотребление.

Работа в режиме сниженного энергопотребления будет осуществляться путем работы с широковещательными пакетами. При работе в режиме энергосбережения с широковещательными пакетами интервал прослушивания определяется точкой доступа и объявляется в ее служебных пакетах. Данные пакеты содержат: «просыпайся, тебе есть сообщение».

 Перейдем к рассмотрению процесса вхождения терминала в сеть (1-8) и режимы его работы (9 и 11). При включении терминала (1) происходит автоматический поиск доступных сетей (2). В свою очередь, точка доступа через определенные промежутки времени посылает свой ID и необходимую информацию о данной локальной сети по каналу ВССН (3). Обнаружив необходимую сеть (4) терминалу необходимо пройти процедуру аутентификации (6). Для этого пользователю предлагается ввести свои логин и пароль (5). Данная процедура необходима для предотвращения несанкционированного доступа в сеть. Если процедура прошла успешно (8), то абоненту выдается временный идентификатор. Если же нет (7), то терминал производит поиск новой сети (2) (рис. 8).

Войдя в сеть (8), терминал может перейти в пассивный режим (9), если на данный момент нет необходимости получения обслуживания. Для получения обслуживания, терминалу необходимо захватить канал связи на время передачи данных (12). После того, как канал предоставлен (14) совершается передача сообщения (15). В противном случае необходимо продолжить борьбу за канал связи (13). После того, как сообщение было принято, АР посылает терминалу сообщение о доставке: «данные приняты» (16) или «произошла ошибка» (18). Если же пришло сообщение об ошибке, то терминалу необходимо повторить передачу (19), предварительно получив доступ к каналу на общих основаниях (13) и сценарий повторяется. При успешной передаче терминал переходит  в пассивный режим (17) и находится в нем до тех пор, пока нет сообщений для передачи, а при их появлении снова переходит в активный режим (10). Выключение терминала (20)  (рис. 8).  

Рисунок 8.  Сценарий целостной диаграммы состояний терминала.

1.5.2. Пояснение способа организации доступа к физическому каналу. Разработка и пояснение способа адаптивного изменения скорости передачи данных.

Для получения доступа к физическому каналу в проектируемой сети используется метод многостанционного доступа CSMA. Для передачи сообщения терминалу сначала необходимо захватить общий канал на время передачи данных. Принцип  процедуры CSMA построен так, чтобы избегать коллизий. Терминал перед посылкой информации проверяет, нет ли информации в канале передачи, и после этого ждет некий интервал (выбранный случайным образом), защищающий от возникновения коллизий. Если в этот момент не возникнет передача от другого терминала, то он ждет истечения выбранного промежутка времени и захватывает канал. Это предотвращает возможность одновременного занятия канала, поскольку, если в этот момент два терминала хотят передать сообщение, то случайное время начала передачи позволяет им разнести передачу по времени. Далее процесс идет согласно обычному алгоритму. Если передатчик получает подтверждение об успешном приеме, то передача прошла успешно. Если подтверждение не получено, терминал снова повторяет ранее описанный алгоритм. Рассмотрим подробнее, как это происходит (рис. 9).

Рисунок 9. Сценарий организации доступа к физическому каналу связи.

В момент времени t0 АР начинает передавать широковещательные сообщения, предназначенные всем терминалам, которые  содержат сведения о сети и то, что канал связи свободен. Затем за время (t2- t1) терминалы, которые к тому времени сформировали сообщение для передачи, начинают конкурировать за получение доступа к общему каналу связи. В своем запросе, каждый терминал указывает, сколько ему необходимо времени для передачи. В данной сети побеждает тот терминал, запрос от которого был раньше получен АР. Далее точка доступа производит выделение канала (t3- t2)  для «победившего» терминала на время, необходимое ему для передачи пакета и получения отчета о его доставке (t4- t3).  Как только сообщение было принято, принимающая сторона передает подтверждение приема. Если передача была успешной, терминал переходит в пассивный режим, а если нет, то терминалу необходима повторная передача. Также может быть, что точка доступа сама вступает в борьбу за канал и, естественно, выигрывает его, так она является «приоритетнее» терминалов. Это происходит тогда, когда в регистре точки доступа накапливаются сообщения для передачи. Например, в момент времени (t5- t4) она осуществляет рассылку сигнальных пакетов для необходимых терминалов, находящихся в пассивном режиме.  А затем данный сценарий повторяется.

В проектируемой сети, в адаптивном изменении скорости нет необходимости, так как используется только один помехоустойчивый код.

1.5.3. Проработка сценариев взаимодействия абонентских терминалов с точкой доступа или другими терминалами сети в каждом режиме работы. Определение необходимых для взаимодействия идентификаторов и широковещательных параметров сети.

Необходимыми для взаимодействия в сети идентификаторами являются:

·        ID точки доступа;

·        ID терминалов;

·        Логин и пароль пользователей.

Сценарии взаимодействия абонентских терминалов с точкой доступа в каждом режиме работы можно отразить на диаграмме состояний (рис. 10).

Рисунок 10. Сценарии взаимодействия абонентских терминалов с точкой доступа в каждом режиме работы.

На рисунке представлены возможные варианты развития сценариев взаимодействия между терминалом и АР и наоборот. В первом случае терминалы борются за доступ к каналу связи с целью передачи сообщения, а в последующем АР, после накопления буфера, передает данные непосредственному адресату. Более подробно данный сценарий можно представить в виде диаграмм, которые в полной мере отражают представленный сценарий (рис. 11, 12).

Рассмотрим диаграмму взаимодействия абонентских терминалов с точкой доступа (рис.11).

Рисунок 11.  Диаграмма взаимодействия терминала и АР.

При возникновении необходимости в передаче данных (1), терминалу необходимо побороться за получение канала связи «в свое распоряжение»(2). Терминал формирует для АР запрос на предоставление физического канала связи на время, необходимое ему для передачи сообщения. Вступив в конкурентную борьбу за канал с другими терминалами, побеждает тот, кто первым послал запрос на предоставление канала. Но если вдруг заявки пошлют одновременно несколько терминалов, в сети произойдет коллизия, о наличии которой, точка доступа не узнает и первой примет заявку от терминала, который отправил свою заявку чуть позже. Выигравший терминал получает канал в свое распоряжение на время передачи, и немедленно начинает передачу данных (3), а затем ожидает отчета о приеме пакета от АР (4-6). От ее ответа зависит дальнейшее развития сценария взаимодействия (5 или 7). Если он положителен, то терминал переходит в пассивный режим (5), а если нет, то необходима повторная передача (7).

Диаграмма взаимодействия точки доступа с терминалом (рис. 12).

Рисунок 12.  Диаграмма взаимодействия АР и терминала.

При необходимости передачи данных терминалу (1), АР посылает ему информационный пакет (2 или 3). Его содержание зависит от того, в каком состоянии на данный момент находится терминал: активном (11) или пассивном (7). Если терминал активен (11), то ему приходит сообщение «Прими сообщение» (2), а если пассивен, то «Просыпайся, тебе есть сообщение» (3). Терминал, находившийся в активном состоянии, начинает прием данных (4). После того, как АР завершила передачу, терминал посылает ей подтверждение приема (5или 8) и переходит в пассивный режим (6-7 или 9-11). При неуспешном приеме (8) в отчете о состоянии доставки терминал отправляет номера неверно принятых пакетов и ожидает повторной передачи (9). Далее АР повторяет передачу тех пакетов, которые были запрошены терминалом. После успешного приема пакета (5), точка доступа удаляет его из своего регистра. Когда терминал находился в пассивном режиме (7), то получив сообщение (3) от АР переходит в активное состояние (11) и сценарий повторяется.

1.5.4 Построение целостной диаграммы состояний терминала, отражающей рассматриваемые сценарии.

Диаграмма представлена в пункте 1.5.1(рис. 8).

                        Литература:

1.      Бакке А.В. "Лекции по курсу ССПО".
2.      Бакке А.В. Методические указания к лабораторной работе "Основы построения беспроводных сетей      стандарта 802,11".
3.   КП "Локальная радиосеть" Часть 1. 
4.     http://thebard.narod.ru/gos/2/219.htm
5.     http://www.intuit.ru/department/network/wifi/2/wifi_2.html
6.     http://www.compress.ru/Archive/CP/2004/5/49/