شبکه‌های بی‌سیم مبتنی بر استاندارد IEEE 802.11 چگونه اطلاعات را ارسال می‌کنند؟

معماری

استاندارد IEEE دو نوع سرویس را تعریف می‌کند که مجموعه خدمات پایه (BSS) سرنام Basic Service Set و مجموعه خدمات توسعه یافته (ESS) سرنام Extended Service Set هستند.

مجموعه خدمات پایه

IEEE 802.11 مجموعه خدمات پایه (BSS) را به عنوان بلوک‌های سازنده یک LAN بی‌سیم تعریف می‌کند. این بلوک‌ها از مجموعه خدمات پایه که متشکل از ایستگاه‌های بی‌سیم ثابت یا سیار هستند و یک ایستگاه پایه مرکزی اختیاری که به عنوان نقطه دسترسی (AP) شناخته می‌شود، تشکیل شده است. شکل زیر این دو مجموعه  استاندارد را نشان می‌دهد.

BSS بدون یک اکسس‌پوینت (AP) یک شبکه مستقل است و نمی‌تواند داده‌ها را برای BSS‌های دیگر ارسال کند. به این معماری ad hoc گفته می‌شود. در این معماری، ایستگاه‌ها می‌توانند بدون نیاز به AP یک شبکه تشکیل دهند. BSS‌ای که همراه با اکسس‌پوینت به‌کار گرفته شود به‌نام زیرساخت مجموعه خدمات پایه (Infrastructure BSS) شناخته می‌شود.

مجموعه خدمات گسترده (ESS)

مجموعه خدمات توسعه یافته (ESS) از ترکیب دو یا چند BSS با اکسس‌پوینت به وجود می‌آید. در این حالت، BSSها از طریق یک سیستم توزیع که یک شبکه سیمی یا بی‌سیم است به یکدیگر متصل می‌شوند. در معماری فوق سیستم توزیع، اکسس‌پوینت‌ها را در BSS‌ها به هم متصل می‌کند. لازم به توضیح است که IEEE 802.11 عملکردی کاملا منعطف دارد و سیستم توزیع را محدود نمی‌کند، بنابراین هر شبکه IEEE می‌تواند عملکردی شبیه به اترنت باشد. توجه داشته باشید که مجموعه خدمات توسعه یافته از دو نوع ایستگاه استفاده می‌کند که سیار و ثابت است. ایستگاه‌های سیار ایستگاه‌های معمولی داخل یک BSS هستند. ایستگاه‌های ثابت ایستگاه‌های AP هستند که بخشی از یک شبکه LAN سیمی هستند. شکل زیر معماری یک ESS را نشان می‌دهد.

هنگامی که BSSها به یکدیگر متصل می‌شوند، ایستگاه‌های در دسترس یکدیگر می‌توانند بدون استفاده از اکسس‌پوینت با یکدیگر ​​ارتباط برقرار کنند. با این حال، ارتباط بین یک ایستگاه در یک BSS و BSS خارجی از طریق اکسس‌پوینت انجام می‌شود.

زیرلایه مک

IEEE 802.11 دو زیرلایه MAC را تعریف می کند که تابع هماهنگی توزیع شده (DCF) سرنام distributed coordination function و تابع هماهنگی نقطه (PCF) سرنام point coordination function نام دارند. شکل زیر رابطه بین دو زیرلایه مک، زیرلایه LLC و لایه فیزیکی را نشان می‌دهد.

تابع هماهنگی توزیع شده

یکی از دو پروتکل تعریف شده توسط IEEE در زیرلایه MAC، تابع هماهنگی توزیع شده (DCF) نامیده می‌شود. DCF از CSMA/CA به عنوان روش دسترسی استفاده می‌کند.

خط زمانی تبادل فریم

شکل زیر تبادل داده‌ها و فریم‌های کنترل زمانی را نشان می‌دهد.

قبل از ارسال فریم، ایستگاه منبع با بررسی سطح انرژی در فرکانس حامل، وضعیت رسانه را بررسی می‌کند.

کانال از یک استراتژی ماندگاری همراه با رویکرد عقب‌گرد  تا زمانی که کانال بیکار باشد استفاده می‌کند.

پس از اینکه ایستگاه بیکار بود، ایستگاه برای یک دوره زمانی که فضای میان فریم DFC سرنام  DCF interframe space نام دارد به انتظار می‌نشیند. سپس ایستگاه یک فریم کنترلی به نام درخواست ارسال (RTS) منتشر می‌کند.

پس از دریافت RTS و انتظار برای مدت زمانی به نام فضای میان فریم کوتاه (SIFS)، ایستگاه مقصد یک فریم کنترل به نام Clear to send (CTS) را به ایستگاه مبدأ می‌فرستد. این فریم کنترل نشان می‌دهد که ایستگاه مقصد آماده دریافت داده‌ها است.

ایستگاه مبدأ پس از آن‌که مدت زمانی برابر با SIFS صبر کرد فرآیند ارسال داده‌ها را آغاز می‌کند.

ایستگاه مقصد، پس از دریافت داده‌ها، یک تاییدیه ارسال می‌کند تا نشان دهد که فریم دریافت شده است. تأیید در این پروتکل مورد نیاز است زیرا ایستگاه هیچ وسیله‌ای برای بررسی رسیدن موفقیت‌آمیز داده‌های خود به مقصد ندارد. از سوی دیگر، عدم برخورد در رویکرد CSMA/CD به نوعی نشان‌دهنده این موضوع است که داده‌ها توسط منبع دریافت شده‌اند.

بردار تخصیص شبکه (Network Allocation Vector)

اگر یک ایستگاه مجوز ارسال داده‌ها را پیدا کند، ایستگاه‌های دیگر بر مبنای چه راهکاری باید ارسال داده‌های خود را به تعویق بیاندازند؟ به عبارت دیگر، جنبه اجتناب از برخورد این پروتکل چگونه انجام می‌شود؟ برای این منظور از تکنیکی که NAV نام دارد استفاده می‌شود.

هنگامی که ایستگاهی یک فریم RTS می‌فرستد، این فریم شامل مدت زمانی است که کانال را اشغال می‌کند. ایستگاه‌هایی که این فریم را دریافت می‌کنند و قصد ارسال داده‌ها را دارند، تایمری که بردار تخصیص شبکه (NAV) سرنام Network Allocation Vector نام دارد را ایجاد می‌کنند که نشان می‌دهد چقدر زمان باید بگذرد تا این ایستگاه‌ها مجاز به بررسی کانال از نظر بی‌کاری باشند. هر بار که یک ایستگاه به سیستم دسترسی پیدا می‌کند و یک فریم RTS ارسال می‌کند، ایستگاه های دیگر بردار تخصیص شبکه خود را آماده می‌کنند. به‌عبارت دیگر، هر ایستگاه، قبل از این‌که به سراغ کانال برود، ابتدا بردار تخصیص شبکه خود را بررسی می‌کند تا ببیند زمان آن منقضی شده است یا خیر. در شکل بالا عملکرد بردار تخصیص شبکه را نشان می‌دهد.

برخورد در حین دست‌دهی (Collision During Handshaking)

اگر در زمانی که فریم‌های کنترل RTS یا CTS در حال انتقال هستند، که اغلب دوره دست‌دهی نامیده می‌شود، برخوردی رخ دهد، چه اتفاقی می‌افتد؟ دو یا چند ایستگاه ممکن است سعی کنند فریم‌های RTS را همزمان ارسال کنند. این فریم‌های کنترل ممکن است با هم برخورد کنند. با این حال، از آن‌جایی که مکانیزمی برای تشخیص برخورد وجود ندارد، فرستنده فرض می‌کند که اگر فریم CTS را از گیرنده دریافت نکند، حدس می‌زند برخورد صورت گرفته است. در این حالت استراتژی عقب‌گرد را استفاده کرده دوباره اقدام به ارسال بسته داده‌ای می‌کند.

مشکل دیگری که در این زمینه ممکن است به وجود آید ایستگاه مخفی Hidden-Station است. راه‌حلی که برای مشکل ایستگاه مخفی وجود دارد استفاده از فریم‌دهی دست‌دهی (RTS و CTS) است. شکل بالا این حالت را به خوبی نشان می‌دهد. همچنین نشان می‌دهد که پیام RTS از B به A می‌رسد، اما به C نمی‌رسد. اما، چون B و C هر دو در محدوده A هستند، پیام CTS که شامل مدت زمان انتقال داده از B به A است، به C می‌رسد. ایستگاه C می‌داند که برخی از ایستگاه‌های مخفی از کانال استفاده می‌کنند و تا پایان این مدت از ارسال خودداری می‌کنند.

تابع هماهنگی نقطه (PCF)

تابع هماهنگی نقطه (PCF) یک روش دسترسی اختیاری است که می‌تواند در یک شبکه زیرساخت (نه در یک شبکه ad hoc) پیاده‌سازی شود. تابع فوق در بالای DCF اجرا می‌شود و بیشتر برای شبکه‌هایی که حساس به زمان هستند استفاده می‌شود. به بیان دیگر، تابع هماهنگی نقطه (PCF ) یک روش کنترل دسترسی رسانه (MAC) است که در شبکه محلی بی‌سیم مبتنی بر IEEE 802.11 از جمله Wi-Fi استفاده می‌شود. برای هماهنگی ارتباطات در شبکه، در یک هماهنگ‌کننده نقطه که به عنوان نقطه‌دسترسی شناخته می‌شود، قرار دارد. اکسس‌پوینت برای درک کانال منتظر مدت زمان PIFS به جای DIFS است. PIFS کمتر از مدت زمان DIFS است و از به همین دلیل هماهنگ‌کننده نقطه همیشه اولویت دسترسی به کانال را دارد.

PCF دقیقاً بالاتر از تابع هماهنگی توزیع شده (DCF) در IEEE 802.11 قرار دارد. دسترسی کانال در حالت PCF متمرکز است و از این‌رو هماهنگ‌کننده نقطه فریم CF-Poll را به ایستگاه دارای توانایی PCF ارسال می‌کند تا اجازه انتقال یک فریم را به آن بدهد. درصورتی که ایستگاه نظرسنجی هیچ فریمی برای ارسال نداشته باشد، باید فریم تهی (Null) را ارسال کند. با توجه به اولویت PCF نسبت به DCF ، ایستگاه‌هایی که فقط از DCF استفاده می‌کنند ممکن است به محیط دسترسی پیدا نکنند. برای پیش‌گیری از بروز این مشکل، یک بازه تکرار طراحی شده است تا هر دو ترافیک DCF (بدون Contention Free) PCF و (Contention based) را پوشش دهد. فاصله تکرار که به طور مداوم تکرار می‌شود ، با یک فیرم کنترل ویژه که Beacon Frame نام دارد آغاز می‌شود. وقتی ایستگاه‌ها فریم را دریافت می‌کنند، بردار تخصیص شبکه خود را برای مدت زمانی که باید به انتظار بنشینند فعال می‌کنند.

از آن‌جایی که اکثر اکسس‌پوینت‌ها توپولوژی گذرگاه منطقی دارند، تنها یک پیام می‌تواند همزمان پردازش شود (این یک سیستم مبتنی بر مذاکره است)، بنابراین یک روش کنترل دسترسی رسانه است.

همان‌گونه که اشاره شد، شبکه‌های بی سیم ممکن است با مشکل گره پنهان یا ایستگاه پنهان روبرو شوند، جایی که برخی از گره‌های عادی (که فقط با اکسس‌پوینت  ارتباط برقرار می‌کنند) نمی‌توانند گره‌های دیگر را در لبه انتهای شعاع جغرافیایی شبکه مشاهده کنند، زیرا سیگنال بی‌سیم قبل از رسیدن به آن حد ضعیف می‌شود. بنابراین داشتن یک اکسس‌پوینت واسط اجازه می‌دهد تا فاصله کمتر شود و همه گره‌ها توانایی مشاهده اکسس‌پوینت را داشته باشند. در نتیجه، حداکثر فاصله بین دو گره در لبه‌های شبکه‌های مبتنی بر توپولوژی حلقه‌ای نصف می‌شود. در شکل زیر معماری فاصله تکرار را مشاهده می‌کنید.

تکه تکه شدن (Fragmentation)

شبکه‌های بی سیم نویز زیادی دارند، بنابراین فریم‌ها اغلب خراب می‌شوند. هر زمان فریمی خراب شود، فرستنده مجبور به ارسال دوباره بسته است. بنابراین، شبکه‌های بی‌سیم از پروتکل تقسیم‌بندی استفاده می‌کنند. تقسیم به فرآیند شکستن یک فریم بزرگ به فریم‌های کوچک‌تر اشاره دارد. ارسال مجدد یک فریم کوچک کارآمدتر از یک فریم بزرگ است و پهنای باند کمتری از شبکه را مصرف می‌کند.