شبكه های بی سیم محلی

مقدمه

تاكنون چندین بار به دسترسی به شبكه یا اینترنت نیاز داشته و آرزو كرده اید كه در یك اتاق متفاوت یا فضای بیرون بدون احتیاج به كابل كشی طویل كار كنید؟ یا چندین بار در یك مكان عمومی مثل هواپیما یا هتل احتیاج به فرستادن یك e-mail فوری داشته اید؟

اگر شما هم جزء هزاران كار بر شبكه اعم از كاربران  خانگی، مسافران تجاری باشید، پاسخ یكی است. قابل توجه كاربران شبكه: 11 .802 پایه و اساس شبكه های بی سیم جواب سئوال است.11. 802 قابلیت تحرك پذیری و همچنین پهنای باند مورد نیازی كه كاربران خواهان آن هستند را فراهم می آورد.

ایده شبكه بی سیم محلی یك ایده جدید نیست چندین دهه از این مفهوم می گذرد. استاندارد 11 . 802 درسال 1997 تصویب شد، پس علت اینكه شبكه های بی سیم جدیداً گسترش پیدا كرده اند چیست؟ پهنای باند و قیمت  پایین باعث توسعه این شبكه ها شده است.

شبكه های بی سیم اولیه مثل Ricbchet,ARDIS,ALHa  تنها ارسال داده به نرخی كمتر از 1Mbps را فراهم می آوردند. با آمدن 11 . 802 این مقدار 2Mbps افزایش یافت. نسخهb11. 802 در سال 1999 تصویب شده و نرخ انتقال داده تا 11Mbps را فراهم می آورد كه قابل مقایسه با سرعت در شبكه های محلی سیمی مثل اترنت (10Mbps ) می  باشد. استانداردهای  802.11ag نرخ انتقال داده تا54Mbps را فراهم آوردند مثل شبكه های Fast Ethernet در شبكه های سیمی.

تولید كنندگان كمی بعد ارزش شبكه های بی سیم را درك كرده اند و بسیاری از این صنایع به این نوع شبكه اعتماد كرده و از آن برای تولید محصولاتشان استفاده كردند.

اگر چه شبكه های 11 . 802 یك توپولوژی محلی هستند، اما مدیران شبكه های سیمی  و شبكه های سیمی مثل اترنت 3 .802 را مبارزه طلبیدند و وسایل شبكه های موبایل را در اختیار مدیران شبكه قرار دادند.

802.11 Wireless Ians:

11 .802 به علت پیاده سازی اسان و استفاده راحت آن در توسعه شبكه، به صورت فراگیر درآمده است.  از دیدگاه كاربر، این شبكه ها دقیقاً مثل شبكه های اترنت هستند و معماری آنها ساده است، اگر چه رویارویی با یك محیط كنترل نشده، پیچیده تر از مواجهه با یك محیط سیمی كنترل شده است.

MAC  در 11 .802 باید یك مكانیزم دسترسی كه امكان دسترسی نسبتاً خوبی به محیط را بدهد، فراهم آورد. ایستگاههای11. 802  قابلیت تشخیص بر خوردی را كه  ایستگاههای اترنت سیمی دارند، مبتنی بر CSMACD دارند، دارا نمی باشند.(1 قابلیت تشخیص Collision ندارند.)

درنتیجه به یك MAC  قوی تر و Scalable تر برای دسترسی به خط با كمترین Overrhead نیاز است.

نگاهی بر توپولوژیهای Wlan :

شبكه های 11 .802 دارای انعطاف پذیری در طراحی هستند. شما می توانید یكی از سه آرایش زیر از  توپولوژیهای Wlan را انتخاب كنید:

-         Independent  Basic Service Sets ( IBSSs. AD- HOC )

-         Basic Service Sets ( Bss_s)

-         Extended Service Sets ( Ess_s)

یك Service Set   مجموعه ای از وسایل جانبی است كه Wlan را ایجاد كنند. دسترسی به شبكه با Broadcast كردن یك سیكنال از طریق Rf carrier Wireless به یك ایستگاه گیرنده ، درون رنجی از فرستنده ها می تواند صورت گیرد. فرستنده ارسالش را با یك Service  Set Identifier (SSID) آغاز می كند. گیرنده SSID را برای فیلتر كردن سیكنال های دریافتی به كار می برد و از این طریق سیكنال مربوط  به خودش را می یابد.

IBSS:

یك IBSS شامل گروهی از ایستگاههای 11 . 802 می باشد كه مستقیماً با یكدیگر در ارتباط اند كه به این نوع شبكه ها AD-HOC هم اطلاق می شود. چون  یك شبكه بی   سیم اساساً  Peer-to-peer می باشد، (كه چگونه دو ایستگاه با كاردمال واسط شبكه 11 .802 ( NICS ) مجهز شده اند و می توانند یك IBSS را ایجاد و از این طریق با هم ارتباط برقرار كنند)؟

AD/HOC/IBSS

یك شبكه AD_HOC زمانی ایجاد می شود.كه وسایل كلانیت به طور منفرد بدون استفاده از Access point  یك شبكه كامل را ایجاد كنند. این شبكه ها نیاز به هیچ نقشه قبلی یا برداشت نقشه تكه ای زمین( محیط ) ندارند بنابر این معمولاً كوچك هستند وتنها به اندازه  كه برای برقراری ارتباطات  برای Share كردن اطلاعات لازم است می می باشد. برخلاف حالت ESS ، كلانیت ها مستقیماً باهم در ارتباطند كه تنها یك BSS ایجاد كرده كه هیچ ارتباطی با شبكه سیم دار ( Wired ) ندارند. دراینجا محدودیتی در تعداد وسایلی كه می توانند در IBSS باشند، وجود ندارد. اما چون هر وسیله ای یك كلاینت است، اغلب، تعداد معینی از اعضا نمی توانند با هم صحبت كنند. به علت عدم وجود AP در IBSS ، زمان به صورت توزیع شده كنترل می شود، یعنی كلانیتی كه آغاز كننده ارتباط است یك وقفه beacon تنظیم می كند، برای ایجاد Target  beacon   Transmission time  ( TBTT). زمانیكه یك TBTT رسید، هركلانیت در IBSS كارهای زیر را انجام می دهد:

-         تایمرهای قبلی از TBTT را منحل می كند.

-          یك تأخیر به صورت رندم از اول معین می كند.

اگر قبل از اتمام زمان تأخیر، beacon  ای برسد، تایمرهای قبلی را از سر می گیرد ولی اگر beacon ای دریافت نكند، در این مدت زمان تا انتهای زمان تأخیر، یك beacon فرستاده وبعد تایمرهای قبلی را از سر می گیرد.

چون در اغلب موارد احتمال وجود یك نود پنهان وجود دارد، ممكن است تعداد beacon های زیادی از كلانیت های مختلف در زمان وقفه فرستاده شود، بنابراین كلانیت ها ممكن است چندین beacon دریافت كنند اگر چه این در استاندارد اجازه داده شده وپیامدی در بر ندارد، چون كلانیت ها تنها در جستجوی دریافت اولین beacon مربوط به تایمرخودشان هستند.

Embeded timer درون beacon یك تایمر عملكرد  همزمان است.

( Timer Synchronization function) TSF . هر كلانیت TSF درون beacon را با تایمر خودش مقایسه می كند و اگر مقدار دریافت شده بیشتر باشد، به این معنی است كه كلاك ایستگاه فرستنده سریعتر كار می كند، بنابراین تایمرش را update می كند. با مقداری كه دریافت كرده است.

ESS:

چندینinForastructure توسط واسطهای uplink می توانند به هم متصل شوند. در دنیای 11 . 802 واسطهای uplink ، BSS را با سیستم توزیع ( DS ) متصل می كند. مجموعه متصل شده BSS توسط DS را ESS می نامند. نیازی نیست uplink برقراری ارتباط uplink با DS به صورت سیمی باشد. اما اكثر اوقات اغلب بخش uplink DS  به صورت اترنت ?? است.

802.11 Medium Access    Mechanisms :

شبكه های مبتنی بر 11 . 802 مكانیزم Carrier Sense Multiple  Access With collision avoidanceـ( CSMAICA ) را به كار می برند، درحالیكه مكانیزم اترنت CSMA/CD می باشد. اترنت سیمی تشخیص collision درمحیط امكانپذیر است. اگر دو ایستگاه همزمان شروع به ارسال كنند، سطح سیگنال درسیم انتقال بالا می رود كه نشاندهنده وقوع تصادم به ایستگاه فرستنده است.

ایستگاههای 11 .802 قبل از ارسال خط را سنس كرده و درصورت اشغال بودن خط منتظر می مانند تا خط آزاد شود و بعد ارسال كنند. نودهای 11 .802 قابلیت تشخیص collision را ندارند و فقط از وقوع آن دوری می كنند .

نگاهی بر CSMA/CD :

می توان مكانیزم CSMA/CD را با كنفرانس تلفنی مقایسه كرد. هر یك از دوطرفی كه می خواهد صحبت كند، باید منتظر بماند تا صحبت دیگری تمام شود. زمانیكه خط ازاد است، هر یك می توانند صحبت كنند، اگر دو طرف همزمان شروع به صحبت كنند، باید توقف كرده و بعد در فرصت مناسب دوباره صحبت كنند.

CSMA/CD منظم تر از CSMA/CD است. مجدداً در مقایسه با كنفرانس اما با كمی تفاوت:

- قبل از اینكه هر یك از دو طرف صحبت كنند باید تصمیم بگیرند كه چه مقدار قصد صحبت كردن دارند، این به هر یك از نودهایی كه مثلاً‌ قصد ارسال دارند فرصت می دهد كه بفهمند تا چه حد باید منتظر بمانند تا نوبت ارسال آنها برسد.

-    طرفین ( نودها) نمی توانند تا زمانیكه مدت زمان اعلام شده از سوی شخص قبلی ( نود قبلی ) تمام نشده،‌ صحبت كرده ( ارسال كنند).

-    نودها از اینكه صدایشان در هنگام صحبت كردن شنیده شده یا خیر، آگاه نیستند تا اینكه تأییده ای از سخنان خود را از نودهای گیرنده دریافت كنند.

-     بنابر این اگر ناگهان دو نود همزمان شروع  به ارسال كنند، چون صدا را نمی شنوند، از اینكه همزمان درحال صحبت كردن هستند اطلاع ندارند، بعد از اینكه تأییده ای آن دریافت نكردند، نودها فهمندكه با هم صحبت كرده اند.

-          نودها به طور رندم یك زمان را مجدداً‌ انتخاب و شروع به صحبت می كنند.

بنابر آنچه گفته شد، CSMA/CD دارای قوانین منظم تری نسبت به CSMA/CD می باشد. این قوانین ازوقوع collison جلوگیری می كنند. این ممانعت برای شبكه های بی سیم بسیار كلیدی و با اهمیت است چرا كه صریحاً مكانیزصریحی برای تشخیص تصادم ندارند. CSMA/CD به طور ضمنی collison را تشخیص می دهد. یعنی زمانیكه یك فرستنده تائید مورد نظرش را دریافت نمی كند.

پیاده سازی CSMA/CA در (DCF) Distributed Coordination Function آشكار می شود، برای توضیح اینكه CSMA/CD چگونه كار می كند، توضیح بعضی مفاهیم (اجزاء) اولیه كلیدی در CSMA/CA 802.11 مهم است.

- Carrier Sense

- DCF

- Acknowlegment   Frames.

- Request to Send /clear to Send (RTS/CTS) medium reservation

به علاوه، دو مكانیزم دیگر، یعنی دو بخش دیگر مكانیزم دسترسی به خط ها در  802.11 كه مستقیماً به CSMA/CA مرتبط نیستند، عبارتند از :

- Frame fragmentation

- Point coordination Function (PCF)

- Carrier Sense:

ایستگاهی كه می خواهد روی محیط بی سیم ارسال كند باید تشخیص دهد كه آیا خط مشغول است یا خیر. اگر خط مشغول باشد، ایستگاه باید ارسال فریم را تا زمانیكه خط آزاد شود به تعویق بیاندازد. ایستگاه وضعیت خط را از دو طریق می تواند تشخیص دهد:

- با چك كردن لایه فیزیكال  برای اینكه بفهمد / یا Carrier حاضر است.

- با استفاده از توابع سنس كریر مجازی (NAV)Network Allocation Vector ایستگاه می تواند لایه فیزیكی را چك كند و تشخیص دهد كه محیط در دسترس است. اما در بعضی مواقع ممكن است خط توسط ایستگاه دیگری به وسیله NAVرزرو شده باشد. NAV یك تایمر است كه بر طبق فریمهای ارسال شده روی خط Update می شود. برای مثال در یك زیر ساختار BSS فرض كنید كه فردی فرعی را برای فردی دیگرارسال می كند. فردیx) )فریمی(y )را برای فردی دیگر ارسال می كند، چون محیط بی سیم یك محیطBroadcast است، افراد(z )دیگری هم فریم x را دریافت خواهند كرد.

فریمهای 11-802 دارای یك فیلد duration هستند كه مقدار آن به اندازه كافی برای ارسال فریم و دریافت تاییده آن بزرگ است. z ، NAV مربوط به خودش را با مقدار Update duration  می كند و تلاشی برای ارسال فریم نخواهد كرد تا زمانیكه NAV صفر شود.

توجه كنید كه در ایستگاه ها فقط NAV زمانی Update می شود كه مقدار فیلد Duration دریافت شده از مقداری كه در NAV خودشان است، بزرگتر باشد. برای مثال اگرz ، دارای NAV با مقدار 10ms باشد و فریمی با NAV برابر 5ms دریافت كند، NAV اش را Update نمی كند اما اگر فریمی با مقدار NAV = 20ms دریافت كند، باید NAV خود را Update كند.

DCF:

مكانیزم دسترسی كه IEEE برای شبكه 802.11 در نظر گرفته، DCF است. این مكانیزم نیز بر مبنای CSMA/CA می باشد. برای توضیح عملكرد DCF به مفاهیم زیر توجه كنید:

در عملكرد DCF ، یك ایستگاه منتظر برای ارسال فریم باید مقدار مشخصی از زمان منتظر مانده و بعد از اینكه خط در دسترس قرار گرفت، ارسال كند. این مقدار از زمان DCF Interframe Space (DIFS) نامیده می شود. زمانیكه DIFS سپری شد، خط برای دسترسی ایستگاه آماده است.

احتمال زیادی وجود دارد كه دو ایستگاه به طور همزمان برای ارسال تلاش كنند، (زمانیكه خط بی كار می شود)، و در نتیجه Collision به وجود می آید. برای اجتناب از این وضعیت، DCF یك تایمر رندم Backoff به كار می برد.

الگوریتم رندم Backoff به طور رندم مقداری  از ؟؟ تا مقدار آماده شدن پنجره (CW)Contention window را انتخاب خواهد كرد. پیش فرض مقداری  CW توسط تولید كنندگان تغییر می كند و در NIC ایستگاه ذخیره می شود.  مقادیر محدوده رندم برای Backoff از تایم اسلات صفر شروع می شود و به ماكزیمم مقدار می رسد، (Cw_min cw_max ). یك ایستگاه به طور رندم یك مقدار بین صفر و مقداری جاری CW را انتخاب خواهد كرد. مقدار رندم ،تعداد تایم اسلات های 802.11 ای است كه ایستگاه باید قبل از آغاز به ارسال در هنگام آزاد بودن خط صبر كند. یك تایم اسلات مقدار زمانی است كه بر مبنای فیزیكال بر اساس ویژگیهای RF در BSS استنتاج می شود. بر اساس مشخصات 802.11 نیاز است كه ایستگاه یك فریم تاییده به فرستنده فریم بفرستد. این فریم تاییده به ایستگاه فرستنده اجازه می دهد كه به طور غیر مستقیم بفهمد كه آیا برخورد در محیط رخ داده است یا خیر. اگر ایستگاه فرستنده فریم تاییده ای دریافت نكند، تصور می كند كه برخورد در محیط رخ داده است ایستگاه فرستنده شمارنده های Retry اش را Update می كند، مقدار CW را دو برابر می كند و مراحل دسترسی به محیط را دوباره آغاز می كند.

Acknow legment Frames:

یك ایستگاه گیرنده یك فریم تاییده به ایستگاه فرستنده به منظور آگاه ساختن او از عدم وجود خطا دو ارسال می فرستد. با اطلاع از اینكه، ایستگاه گیرنده باید به خط دسترسی پیدا كند و فریم تاییده را بفرستد، شما ممكن است تصور كنید كه فریم تاییده ممكن است كه به علت وجود درگیری در خط تاخیر كند در حالیكه ارسال یك فرم تاییده یك حالت خاص است. فریم تاییده می تواند از مرحله رندم Backoff عبور كند و یك وقفه كوتاه  بعد از اینكه فریم دریافت شد برای ارسال تاییده منتظر بماند. این وقفه كوتاهی كه ایستگاه گیرنده منتظر می ماند Short Inter frame Space (Sips) نامیده می شود.

802.11 fragmentation Frame:

Frame Fragmetation یكی از توابع لایه MAC است كه قابلیت اطمینان در ارسال فریم در محیطهای بی سیم را افزایش می دهد. فرضیه كنار این مفهوم این است كه یك فریم به تكه ای كوچكتری شكسته می شود و هر تكه به طور مجزا می تواند ارسال شود. فرض بر این است كه احتمال ارسال موفقیت آمیز یك فریم كوچكتر در محیط بی سیم بیشتر است. هر تكه از فریم به طور مجرد تایید خواهد شد. بنابراین اگر تكه ای از آن خراب شود، یا دچار تصادم (Collision) شود، فقط ان تكه باید مجدداً فرستاده شود و نه همه فریم ها كه این باعث افزایش گذردهی خط می شود.

مدیر شبكه می تواند اندازه تكه ها را تعیین كند. این عمل فقط روی فریمهای Unicast انجام می شود. فرمیهای Broadcast یا Multicast به طور كامل فرستاده می شوند.

تكه های فریم به صورت توده ای (Burst) فرستاده می شوند، با استفاده از مكانیزم دسترسی خط DCF. اگرچه Fragmentation می تواند قابلیت اطمینان در ارسال فریم در یك شبكه بی سیم محلی را افزایش دهد، ولی Overhead را در پروتكل MAC 802.11 زیاد می كند. هر تكه از فریم حاوی اطلاعات یك هدر MAC - 802.11 است، همچنین به یك فریم تاییده متناظر نیاز دارد. این افزایش Overhead در MAC باعث كاهش گذردهی واقعی ایستگاه بی سیم می شود.

PCF:

یك مكانیزم دسترسی به خط به صورت انتخابی است كه علاوه بر DCF به كار می رود. PCF مكانیزمی است كه از بر خورد فریم ها در هنگام تحویل به AP یا از AP را جلوگیری می كند. اغلب تولید كنندگان به این خصیصه (PCF) توجهی ندارند چون Overhead را زیاد می كند و این باعث شده كه توسعه چندانی پیدا كند.

خصوصیت (QOS) Quality of Service در استاندارد 802.11 بر اساس PCF برای ایجاد دسترسی مفیدتر و ارسال بهتر صوت و Video صورت گرفته است.

- وسایل غیر استاندارد.NoN Stondard Device                                              وسایل ویژه زیر مدنظر هستند:

- Repeater APS

- Universal clients (workgroup bridgs(

- Wirless Bridge

اگر چه هر كدام از این وسایل، ابزار مفیدی برای شبكه محسوب می شوند، اما باید توجه كنید كه هیچ كدام در استاندارد 802.11 تعریف نشده اند و هیچ تضمینی برای استفاده از آنها وجود ندارد چرا كه هر یك ارائه كنندگان مختلف ممكن است مكانیزمهای متفاوتی برای پیاده سازی این ابزارها تعیین كنند. برای اطمینان به شبكه،در صورت استفاده از این وسایل، باید مطمئن باشید كه آنها دو دیواسی كه از یك فروشنده ارائه شده اند را به هم مرتبط می كنند.

Repeater AP_S

شما (باید خودتان راهی) ممكن است است، خودتان را در وضعیتی ببینید كه برقراری ارتباط یك AP به یك زیر ساختار سیمی به سادگی صورت نگیرد یا مانعی برای برقراری ارتباط AP با كلانیت ها مشكل ایجاد كند. در چنین وضعیتی، می توانید از یك Repeater AP استفاده كنید.

بسیار شبیه تكرار كننده های سیمی است، آنچه تكرار كننده بی سیم انجام می دهد، تنها ارسال همه پكت هایی است كه در سطح بی سیم خود  دریافت می كند، تكرار كننده AP بر روی گسترش BSS و همچنین Callision domain اثر دارد.

اگر چه می تواند یك ابزار موثر باشد، باید توجه داشت كه در موقع به كارگیری آن،Overlap ناشی از Broadcast Domian می تواند روی گذردهی اثر بسیار گذاشته و گذردهی را نصف كند.

مشكل می تواند با زنجیره ای از تكرار كننده های AP تشدید شود. به علاوه، استفاده از تكرار كننده AP ممكن است شما را محدود بكند كه كلانیت ها با تعمیم هایی كه آنها را قادر با برقراری ارتباط به تكرار كننده های AP و اجرای خدمات از روی تكرار كننده های AP می سازد، استفاده كنند. علی رغم این محدودیت ها، برنامه های زیادی پیدا خواهید كرد كه به استفاده از تكرار كننده نیاز دارند.

Universal clients and workgroup Bridge:

ممكن است یك وسیله پیدا كنید كه اترنت سیمی یا واسط سریال را فراهم كند اما دارای اسلات برای NIC بی سیم نباشد، اگر داشتن چنین وسیله ای برای شما مفید است ( در شبكه بی سیم)، می توانید از Unirersal client و Workgroup Bnidge استفاده كنید.

بعضی از وسایلی كه در این تقسیم بندی قرار می گیرند، عبارتند از :

Retial Point of Sale Devices پرینترها، PC های قدیمی، Copies و شبكه های كوچك موبایل.

Universal client یا Workgroup bridge بسته های Wired را كه دریافت می كند به صورت بسته های بی سیم كپسوله  می كنند بنابراین یك واسط 802.11 به AP فراهم می كنند. (واژه سه Universal client اغلب زمانی به كار می رود كه یك تنها وسیله سیمی متصل شده باشد،) در حالی كه Workgroup Bridge برای یك شبكه كوچك از وسایل چند گانه به كار می رود. چون هیچ مبنای استانداردی برای كپسوله كردن یا فوروارد كردن این داده های سیمی وجود ندارد، بنابراین اغلب باید مطمئن باشید كه Universal client یا Workgroup Bndge شما با AP تان با هم سازگاری دارند.

Wireless Bridgs:

اگر مفهوم Workgroup Bridge را تعمیم دهیم به طوریكه به جایی برسیم كه دو یا تعداد بیشتری شبكه وایر را به هم مرتبط كنیم، به مفهوم Wireless Bnidge می رسیم. مشابه پل های وایر، پل های بی سیم شبكه ها را متصل می كنند. شما از یك پل بی سیم برای ارتباط شبكه هایی كه ذاتاً متحرك هستند، استفاده می كنید.

شبكه هایی كه به هم متصل می شوند ممكن است كه مجاور هم نباشند، در این حالت پل بی سیم روشی را برای ارتباط این شبكه ها فراهم می آورد. تفاوت اصلی پل ساده با یك پل گروهی این است Workgroup Bridge تنها درسته در شبكه های كوچك در محیط یك دفتر به كار برده می شود، در حالیكه پل می تواند شبكه های بزرگ كه اغلب در مسافتهای دورتری نسبت به آنچه در شبكه های محلی بی سیم دیده می شود را به هم متصل كند.