Основы Ethernet. Ethernet Layer 2 : Формат Фрейма и адресация канального уровня

Ethernet является наиболее широко используемым набором стандартов для физических свойств сетей. Он также определяет, как данные попадают на кабель сети и как они перемещаются по проводу кабеля. Преамбула представляет собой серию нулей и единиц, предшествующих поступающим данным.

Преамбула Ethernet информирует получателя о прибывающем фрейме данных.

Ethernet Frame

Данные перемещаются по сетям в сегментах. Это предотвращает одно соединение, блокирующее линию на любой промежуток времени и блокирующее доступ к сети всем остальным компьютерам. Сетевое программное обеспечение помещает этот сегмент данных в пакет и размещает заголовки на передней панели, чтобы описать данные и указать их источник и назначение. Это сетевое программное обеспечение затем передает свои пакеты в программу Ethernet, которая преобразует пакет данных в биты в виде структуры, называемой кадром. Эти биты затем передаются по кабелю в виде электрического импульса.

Inter Frame Events

Рамки не перемещаются по проволоке один за другим. Между ними легкое молчание, которое называется Inter Frame Gap. Промежуток представляет собой время, необходимое для передачи 12 байтов данных, и поэтому это разные промежутки времени для разных классов сетей Ethernet. Для Fast Ethernet требуется разрыв в 9,6 микросекунд, а для Gigabit Ethernet — минимальный разрыв в 0,096 микросекунд. Следующее событие до прибытия кадра — это преамбула. Преамбула описывается двумя категориями. Говорят, что это 8-байтовая последовательность с последними двумя битами, представляющими другой шаблон, или она считается как 7 идентичных байтов, за которыми следует байт начала кадра.

Формат преамбулы

Первые семь байтов преамбулы одинаковы: 10101010. Последний байт или байт начала кадра немного отличаются: 10101011. 8 байтов преамбулы и начала кадра создают шаблон из 64 битов. Они официально не считаются частью кадра Ethernet. Кадр начинается сразу после начала кадра, без пропуска.

Цель

Преамбула действует как аутридер в президентской автоколонне. Они просят всех проснуться и обратить внимание: грядет что-то важное. Помимо того, что преамбула является уведомлением о готовности, она также служит устройством синхронизации часов. Биты представлены в виде электрического напряжения — высокого или низкого. Приемник должен идти в ногу со стандартным интервалом, потому что только с регулируемыми часами он может сказать, где заканчивается один бит и начинается следующий. Сигнал 10101010 легко обнаружить, но сигнал 11111111 можно интерпретировать как 1111111, если часы приемника установлены слишком медленно. Преамбула демонстрирует темп поступающих данных и повторяет шаблон 1010 достаточно долго, чтобы позволить приемнику установить свои часы.

Сегодня Wi-Fi применяется для доступа к интернет-сервисам не только с помощью смартфонов и ПК. Растущий рынок датчиков для IoT использует Wi-Fi для связи во многих местах, но ряд ограничений препятствует их широкому приему. Новые особенности стандарта 802.11ах позволят эффективно распределить каналы связи с низкой скоростью передачи, продлить время работы блоков питания датчиков и увеличить радиус действия сигналов Wi-Fi. Устройства уже демонстрируют максимальную скорость 11 Гб/с.

Процедура разработки нового стандарта следует хорошо зарекомендовавшей себя практике для протоколов физического уровня «PHY» спецификаций 802.11n и 802.11ac. Она предусматривает параллельную работу на некоторых этапах с началом тестовой сертификации Wi-Fi Alliance прежде, чем IEEE полностью завершит основную спецификацию. Давление рынка, как и для предыдущих протоколов физического уровня, заставит производителей точек доступа (ТД) и устройств выпустить оборудование, не дожидаясь окончательной сертификацией стандарта, ожидаемой в середине 2019 г.

Как и в случае 802.11ас, стандарт 802.11ах расщеплен на две «волны»: wave 1 и wave 2. Точное распределение особенностей еще не завершено, и данная публикация сосредоточивается на том, что ожидается в wave 1.

Первое, что бросается в глаза, это использование двух диапазонов, как 5 ГГц, так и 2,4 ГГц. Хотя многие эксперты рассматривают диапазон 2,4 ГГц как перегруженный в густонаселенных районах, Wi-Fi-сообщество считает, что в этой полосе имеется еще иного возможностей, особенно для IoT, где могут использоваться хорошие характеристики распространения волн.

И хотя обсуждаемые спектры являются важными, не следует сбрасывать со счетов третью полосу – 60 ГГц. Использующий ее протокол WiGig принят как IEEE, так и Wi-Fi Alliance, и имеет много общего с Wi-Fi в полосах 2,4 ГГц и 5 ГГц. Однако в связи со спецификой миллиметровых волн, WiGig имеет другую спецификацию физического уровня и не является частью 802.11ах.

Новые особенности 802.11ах

В стандарте 802.11ах насчитывается более 50 особенностей, однако не все они будут приняты Альянсом. Приведем основные из них.

Нисходящий и восходящий потоки OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access). OFDMA является одной из наиболее сложных особенностей 802.11ах. Она позволяет расщепить передачу ТД (нисходящий поток) на частоты внутри канала, так что различные фреймы, адресованные разным клиентским устройствам, используют группы поднесущих. Восходящий поток OFDMA эквивалентен нисходящему, но в этом случае множество клиентских устройств передают одновременно на разных группах поднесущих внутри одного канала. Восходящим потоком OFDMA более трудно управлять, поскольку передачи различных клиентов должны быть скоординированы: для этого ТД передает триггерные фреймы, показывающие, какие подканалы каждый клиент может использовать.

Нисходящий и восходящий потоки многопользовательского MIMO (Multiple Input Multiple Output). Нисходящая версия расширяет особенность стандарта 802.11ас, которая определяет, какие условия многолучевого распространения допустимы при передаче в едином временном интервале фреймов к различным клиентским устройствам. Стандарт 802.11ах увеличивает размер групп MU-MIMO для нисходящего потока, обеспечивая большую эффективность. MU-MIMO для восходящего потока является новым дополнением 802.11ах, но отличается для wave 2: подобно восходящему потоку OFDMA, ТД должны координировать одновременную передачу множества клиентов.

Формирование передающего луча. Это другая существующая особенность, которая позволяет ТД использовать несколько передающих антенн, чтобы получить локальный максимум сигнала на антеннах приемника. Она повышает скорость передачи данных и увеличивает расстояние взаимодействия устройств. В стандартах 802.11a/g использовалась модуляция 64-QAM, а в 802.11ас – 256-QAM. Спецификация 802.11ах предусматривает модуляцию наивысшего порядка – 1024-QAM. Это увеличивает пиковую скорость передачи данных при хорошем отношении сигнал/шум.

Технические особенности 802.11ах

Приступим теперь к рассмотрению основных технических улучшений 802.11ах.

Стандарт вводит новый интервал между поднесущими и новую длительность символа. OFDM-символ является базовым строительным блоком передачи Wi-Fi. Это небольшой временной сегмент модулированной поднесущей, который несет данные: чем больший набор символов доступен, тем больше двоичных бит он может нести. Основные характеристики – длина БПФ, интервал между поднесущими и длительность OFDM-символа – связываются, образуя фиксированную ширину канала. В 802.11ах интервал между поднесущими уменьшается в четыре раза, тогда как длительность OFDM-символа увеличивается в четыре раза.

Основным побуждением для изменения интервала между поднесущими было позволить OFDM расширение до малых подканалов. Каждый подканал требует по крайней мере одной (обычно их две) пилотной поднесущей с минимальной шириной подканала 2 МГц. При меньшем интервале между поднесущими существенно меньше процент потерь для полной ширины полосы для волн-пилотов.

Более длительный OFDM-символ позволяет увеличить длину циклического префикса без потери спектральной эффективности, что в свою очередь повышает защищенность распространения с большой задержкой, особенно в открытом пространстве. Циклический префикс может быть уменьшен до малого процента от времени длительности символа, увеличивая тем самым спектральную эффективность даже при более надежном многопутевом распространении. И это снижает чувствительность к дрожанию многопользовательских режимов в восходящем канале.

Имеется, конечно, и некоторый побочный эффект. Точность частоты, требуемая для успешной демодуляции более близко расположенных поднесущих, становится более важной. Кроме этого, чипы для БПФ усложняются.

Преимущества OFDMA

OFDMA является одним из двух многопользовательских режимов в 802.11ах, другим является MU-MIMO (только для нисходящего канала в wave 1). Эта технология используется и в других системах, подобных сотовой LTE, уже многие годы. Она работает посредством разделения передачи в частотной плоскости с назначенными парами устройств приемник—передатчик в субканалах, или единицах ресурса (Resource Units, RU) основного радиочастотного канала (напомним, что RU описывает группу поднесущих, используемых как в нисходящем, так и в восходящем потоке). Это позволяет ТД объединить несколько фреймов вместе в разных подканалах в единую передачу, в то время как ее клиенты настраивают свои приемники на разные подканалы, чтобы получить адресуемую им передачу.

OFDMA предоставляет также возможности для применения QoS, в частности, для трафика, который требует низкой задержки или искажения. Хотя устройство может долго ждать возможности передачи в однопользовательской OFDMA-системе, технология позволяет ему передавать «понемногу и часто», уменьшая задержку и дрожание частоты. 

Но OFDMA имеет и ряд недостатков. Так, при последовательной передаче фреймов 802.11 требует, чтобы при конкуренции за возможность передавать несколько фреймов разной длины должны объединяться. В том случае, если фреймы короче, чем длина возможной передачи, они дополняются нулями, и это, конечно, приводит к некоторым потерям в скорости передачи. Также, как уже отмечалось, каждый подканал OFDMA должен резервировать одну или две поднесущие для пилотной частоты, которая не несет полезных данных. Поэтому ТД должна вычислять оптимальное использование OFDMA, принимая во внимание предоставляемую ею нагрузку и фреймы в буферах, а также распределение клиентов и скорость канала.

Таким образом OFDMA открывает много новых возможностей для управления трафиком, но в то же время требует более сложного механизма управления, поскольку ТД должна выбирать, как распределять подканалы и координировать своих клиентов при их использовании.

Нисходящий канал OFDMA

Стандарт 802.11ах вводит OFDMA как в нисходящем, так и в восходящем направлениях. Рассмотрим сначала нисходящий канал. Можно видеть, что ТД сначала соревнуется за возможность передачи обычным способом. Затем она объединяет несколько фреймов различных клиентов. Если фрейм короче самого длинного, то он дополняется нулями или пробелами. Эта потеря ширины полосы может быть уменьшена посредством выделения меньшего подканала для фрейма.

Нисходящий поток

Самый маленький выделяемый подканал в 802.11ах содержит 26 поднесущих (2 МГц). Имеется 9 доступных подканалов с 26 поднесущими подканалами в канале 20 МГц, позволяющих 9 различным фреймам и реципиентам разделять передачу. IEEE использует термин RU, чтобы ссылаться на подканалы. Таким образом RU-26 обозначает 26 поднесущих.

Как и в предыдущих генерациях OFDMA, не все поднесущие в канале могут использоваться для данных. Некоторые поднесущие не используются для защитной полосы, так как не создают помех передачам в соседних каналах или между подканалами.

Восходящий канал OFDMA

Что касается восходящего канала, то OFDMA здесь работает почти так же, как и в нисходящем, за исключением того, что клиентские устройства передают, а ТД принимают.

Восходящий поток

Для ТД сложным является вычисление наилучшего объединения клиентов и подача сигнала, когда каждый может передавать и на каком подканале. Также сложной является синхронизация символов в преамбуле в восходящем потоке, потому что каждая преамбула передается во всей полосе канала 20 МГц. Таково было решение IEEE, и оно требовало, чтобы формы волн всех преамбул синхронизировались по времени, частоте и амплитуде при достижении антенн ТД. Это привело к многочисленным новым требованиям для устройств Wi-Fi, включая калибровку измерений силы сигнала, требования для локального излучателя и ряду других, которые могут оказаться полезными в других областях.

Даже внутри тела пакета OFDMA очень важно, чтобы передатчик точно управлял частотой, линейностью и другими параметрами, чтобы избежать помех для передачи в соседних RU.

Нисходящая MU-MIMO передача

MU-MIMO возможно только там, где характеристики распространения волн позволяют ТД идентифицировать, что передача, оптимизированная для одного клиента или группы клиентов, не будет «слышать» значительный по силе сигнал другого клиента и наоборот. Имеются условия, которые позволяют сформировать отдельные фреймы данных для каждой клиентской группы, и передавать их одновременно.

Для того чтобы идентифицировать кандидатов для MU-MIMO, ТД выполняет операции зондирования, посылая нулевые фреймы со всех своих антенн клиентам, которые затем возвращают ответы с матрицами измеренных уровней приема для каждой пары антенн ТД—клиент. Зондирование используется для формирования луча, а также для MIMO. Многопользовательское зондирование в 802.11ас занимало много времени, потому что матрица отчета о формировании луча могла быть большой, и клиентские устройства должны были регулировать время своих ответов, чтобы избежать помех: новый многопользовательский протокол 802.11ах делает это более эффективно при одновременных ответах.

Опыт реальной работы с разворачиванием MU-MIMO 802.11ас показал некоторые ограничения. Например, не всегда было возможным сформировать практичные группы, и даже при ТД с четырьмя антеннами превышение над однопользовательским режимом было весьма умеренным. В то же время в 802.11ах бóльшие группы MU-MIMO (увеличение с четырех до восьми клиентов) будут позволять значительное улучшение.

Сети 802.11ах могут обслуживать большое количество клиентских устройств, группируя их и работая с группами последовательно. И любой протокол канального или транспортного уровня, подобный TCP/IP, который включает запросы, будет получать выигрыш от улучшенной производительности нисходящего канала, но все еще может иметь узкое горлышко в восходящем канале. Эта проблема будет решена в стандарте 802.11ах wave 2.

Управление многопользовательскими режимами

Стандарт 802.11ах включает два многопользовательских режима: MU-MIMO, который использует разнесение в пространстве, и OFDMA в частотном домене. Оба режима позволяют одновременную двунаправленную передачу между ТД и множеством клиентских устройств, и 802.11ах обеспечивает общий механизм управления.

Нисходящий и восходящий каналы отличаются: первый не имеет предварительной сигнализации, ТД просто начинает передавать в соответствующем режиме и приемники синхронизируются по получении пакета. Но восходящий многопользовательский трафик требует специального фрейма-триггера, в котором ТД назначает группы MU-MIMO и OFDMA RU своим клиентам, информирует их о назначении, и это в свою очередь требует, чтобы ТД опрашивали клиентов об их требованиях к восходящему трафику.

Управление нисходящим многопользовательским каналом

Для управления нисходящим многопользовательским каналом нет предварительной сигнализации: вся нужная информация содержится в заголовке пакета, в специальном поле HE-SIG-B (HE – High Efficient), которое включается только в нисходящие многопользовательские фреймы.

Управление режимами нисходящего канала MU-MIMO

HE-SIG-B является сложным полем. Оно имеет переменную длину, зависящую от количества адресуемых клиентов, и два различных типа информации, общую и определяющуюся пользователем.

Общее поле идентифицирует структуру подканалов OFDMA или RU, который будет использоваться, например, 18х 26 RU или 2x 242 RU. Оно включает и другую информацию, которая является общей для всех передач.

Ряд полей, определяющихся пользователем, следует за общим полем. ТД использует эти поля, чтобы точно идентифицировать, как оно будет передаваться каждому клиенту, включая количество пространственных потоков, которое будет использовано схемой модуляции и кодирования.

Спецификация 802.11ах требует, чтобы передатчик формировал поле HE-SIG-B одновременно во множестве каналов 20 МГц, занимающих полную полосу выделяемого канала. Таким образом, если ТД использует канал 80 МГц, она будет передавать четыре поля HE-SIG-B, по одному в каждом 20-мегагерцевом подканале. Поле HE-SIG-B обеспечивает всю информацию, необходимую для открытия клиентского устройства.

Восходящий канал является более сложным, чем нисходящий, поскольку ТД сначала должна определить, что трафик клиента готов к передаче. Следуя этому, она должна вычислить оптимальное размещение групп MU-MIMO и OFDMA RU, затем передать информацию о размещении своим клиентам и синхронизировать их для одновременной передачи.

Для отображения клиентов на их группы OFDMA RU и MU-MIMO используется триггерный фрейм, который включает согласование по времени (тайминг) и информацию о схеме модуляции и кодирования.

Управление восходящим многопользовательским каналом   (формат триггерного фрейма)

В назначенное время клиентские устройства начинают передачу в своих присвоенных группах RU или MIMO. Обычно ТД передает фрейм квитанции, следующий за фреймами данных в восходящем потоке.

Когда в 802.11ас ввели нисходящий канал MU-MIMO, на ТД возлагалась задача мониторинга своего буфера нисходящего трафика и решения, как группировать различные пакеты, чтобы наилучшим образом использовать распределение групп MU-MIMO в популяции клиентов.

С OFDMA проблема обслуживания нисходящего трафика приобрела новое направление: теперь ТД должны были предварительно заглянуть в свои буфера, учесть как группы MU-MIMO, так и каналы OFDMA (и какой из их клиентов поддерживает 802.11ах) и переупорядочить и сгруппировать пакеты.

Но восходящий канал является еще более сложным. Даже хотя восходящий канал будет отличаться в 802.11ах wave 2, восходящий канал OFDMA будет существенной особенностью оборудования 802.11ах wave 1. Многопользовательская работа требует, чтобы для оптимальной производительности системы ТД изучили состояние своих клиентских буферов и потоков трафика, сделали эквивалентные вычисления для восходящего канала и затем скоординировали многопользовательскую передачу в этом канале для оптимальной производительности системы.

Модуляция высокого порядка

Сейчас является традицией для новой редакции физического уровня 802.11 реализовать самый высокий уровень модуляции, и 802.11ах добавила два уровня 1024 QAM на вершину 802.11ас.

Переход от 256 QAM к 1024 QAM увеличивает количество бит на символ OFDMA с 8 до 10 и спектральную эффективность на 25%. Но, как и прежде, улучшения работают только при самых лучших условиях передачи, когда уровень сигнала высокий, а шума – низкий. Это потому, что приемник должен принимать решение об уровне модуляции, выбирая одно из 32 состояний по каждой из осей (амплитуда и фаза, или квадратура), а не одно из 16 для 256 QAM.

Заключение

Несмотря на многие еще не решенные проблемы, Wi-Fi может смотреть в будущее с оптимизмом. В 20-летней перспективе эта технология будет использоваться везде, и имя Wi-Fi станет нарицательным. Такие особенности, как многопользовательское планирование и обратная совместимость, значительно улучшат производительность в местах с высокой плотностью нескоординированных ТД и клиентских устройств. В местах, где ТД находятся по единым управлением, таких как аэропорты, стадионы, аудитории, новые особенности предоставят даже лучшее управление, более высокую емкость сети и лучшую производительность для популяции пользователей.

OFDMA является идеальным для клиентов, передающих короткие пакеты, и для устройств с низкой шириной полосы, таких как датчики IoT. И часто пренебрегаемый рынок оборудования Wi-Fi, беспроводная связь точка—точка и точка—многоточка вне помещений, будут усилены такими особенностями, как увеличенная дистанция связи и более высокая устойчивость к помехам.

Особенности технологии 802.11ах дают компаниям, которые к настоящему времени имеют большой опыт в технологии Wi-Fi, инструменты, чтобы выйти на уже появившиеся рынки и использовать открывшиеся возможности.

Вы можете подписаться на нашу страницу в LinkedIn!

Используемые источники:

• http://dmtsoft.ru/bn/453/as/oneaticleshablon/
• https://ru.computersm.com/91-what-is-an-ethernet-preamble-87800
• https://ko.com.ua/wifi_6_mnogoobeshhayushhij_standart_802_11ah_130060