Передача голоса по IP приобретает все большее значение для беспроводных локальных сетей: мобильные IP-телефоны используются как локальная замена сотовых телефонов или устройств DECT. Важной предпосылкой поддержки качественных голосовых соединений является сравнительно новый стандарт для беспроводных сетей 802.11е. В статье описываются важнейшие технологии этого стандарта и дается сравнение с классической беспроводной сетью без гарантии качества услуг.

В беспроводных сетях стандарта IEEE 802.11 протоколом доступа служит протокол множественного доступа с контролем несущей (Carrier Sense Multiple Access, CSMA; см. также «Глоссарий»), как в старых реализациях Ethernet. И если в результате триумфального шествия полностью коммутируемых сетей CSMA практически исчез из Ethernet, то в беспроводных сетях без него не обойтись, поскольку радиоканал представляет собой «совместно используемую среду» (shared medium). Применяемый в беспроводных сетях метод CSMA получил известность как «функция распределенной координации» (Distributed Coordination Function, DCF).

Из-за того что — в отличие от кабельных сетей — распознавание коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD) в этом случае невозможно, указанный метод применяется в варианте с предотвращением коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA): отдельные партнеры в радиоячейке пытаются, насколько это возможно, предотвратить коллизии путем предварительного резервирования. Однако по-прежнему нельзя указать гарантированное время когда может быть передан какой-либо определенный пакет. В области VoIP увеличение количества ошибок при передаче по беспроводной сети не является большой проблемой, поскольку типичные протоколы VoIP умеют справляться с такими ситуациями, пока количество потерянных пакетов не превышает определенного уровня. Попытки повысить надежность передачи при помощи пакетов подтверждения или повторных пакетов могут даже привести к противоположному эффекту.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ПОДХОДЫ

Альтернатива DCF и CSMA известна давно — это функция точечной координации (Point Coordinator Function, PCF). Она заменяет централизованную систему управления в точке доступа, которая опрашивает всех клиентов подряд и по результатам этой равноправной конкурентной борьбы предоставляет им доступ к среде. К сожалению, PCF на практике так и не получила признания — точки доступа и клиентов, поддерживающих PCF, в лучшем случае можно найти на нишевых рынках. Кроме того, PCF не решает проблему назначения приоритетов: при опросе клиентов точка доступа не может определить, какие пакеты передавать в первую очередь.

Гораздо более широкое распространение получил метод, разработанный компанией SpectraLink, которая вот уже несколько лет производит телефоны с поддержкой беспроводных сетей. Используемый в них голосовой протокол SpectraLink (SpectraLink Voice Protocol, SVP) легко распознается благодаря заданию типа протокола IP. Телефоны и точки доступа с поддержкой SVP обрабатывают указанные пакеты особым образом: при их отправке не делается пауза на предписанное стандартом 802.11 «время отсрочки» — благодаря чему они всегда выигрывают в схватке за пропускную способность.

В течение многих лет только SVP позволял предоставлять приоритет тому или иному трафику в беспроводной сети, однако этот действительно простой, но на самом деле довольно примитивный метод, естественно, не может удовлетворить всех требований. Они были реализованы в расширении стандарта IEEE 802.11e, где определяется целый пакет мер по управлению и назначению приоритетов в радиосреде. Расширения оказались настолько многочисленными, что в большинстве устройств WLAN производители ограничились поддержкой лишь некоторых функций. В частности, Альянс Wi-Fi в своей спецификации мультимедиа Wi-Fi (Wi-Fi Multimedia, WMM), которая относится к стандарту 11е так же, как WPA относится к 802.11i, указал всего одно подмножество функций 802.11e. На этот выбор и будет сделан основной акцент в дальнейшем.

EDCF КАК РАСШИРЕНИЕ DCF

Сегодня наиболее важной технологией 802.11e, безусловно, является расширенная функция распределенной координации (Enhanced Distributed Coordination Function, EDCF) — расширение классической DCF за счет элементов для назначения приоритетов пакетам. Подход к решению напоминает способ, примененный SpectraLink, однако гораздо более хитроумный. Прежде всего, EDCF определяет четыре класса приоритетов — для голоса, видео, для передачи данных по мере возможности (обычного трафика) и в фоновом режиме. Уже по названиям можно понять, какова предпочтительная цель их применения: голосовые соединения наиболее чувствительно реагируют на прерывания или задержки в потоке данных и получают наивысший приоритет по сравнению с остальными пакетами, которым они не очень-то и мешают по причине своего небольшого количества. Далее в порядке уменьшения приоритета следуют мультимедийные услуги, которые также предъявляют определенные требования к пропускной способности, однако за счет буферизации могут выравнивать задержки. Две последние категории — это не классифицируемый далее и низкоприоритетный трафик.

Рисунок 1. Схематическое изображение процесса доступа к каналу с помощью EDCF: в течение определенного времени (AIFS) станция должна оценить среду как свободную и лишь после этого предпринять попытку передачи. Если подтверждение не приходит, считается, что возникла коллизия, и перед тем, как новая попытка передачи будет разрешена, вступает в действие механизм определения времени отсрочки. С помощью параметра ТхОР ограничивается продолжительность пакетной передачи.
При доступе к каналу распределение приоритетов между ними достигается путем вариации следующих четырех параметров (см. Рисунок 1):
  • межкадровый арбитражный интервал (Arbitration Inter-Frame Spacing, AIFS) — без обеспечения качества услуг станция в течение определенного времени (внутрикадровый интервал DCF — DCF Inter-Frame Spacing, DIFS) должна наблюдать за средой и, прежде чем предпринять попытку передачи, распознать ее как свободную. С помощью параметра AIFS указанное время увеличивается в определенное число раз для каждого уровня приоритетов. Для более высоких уровней используются меньшие значения, и поэтому трафик с более высоким приоритетом быстрее занимает свободный канал;
  • CWmin и CWmax — если станция в период начального ожидания определяет среду как занятую или при попытке передачи не получает подтверждения от получателя, она на какое-то, случайно определяемое время отказывается от попыток передачи, причем длительность этого промежутка при каждой попытке удваивается (экспоненциальное увеличение времени отсрочки). Оба параметра CWmin и CWmax (максимальное и минимальное конфликтное окно —
    Contention Window, CW) устанавливают минимальное и максимальное значения для указанного срока. На более высоких уровнях приоритетов используются меньшие значения. Поэтому в случае коллизии трафик с более высоким приоритетом раньше получает доступ к среде;
  • TxOP — этот параметр определяет период времени, в течение которого станция может непрерывно использовать радиосреду для передачи, после того как она единожды добилась «контроля» над ней (Transmit Opportunity, TxOP — возможность передачи). Этот метод ранее уже применялся для увеличения пропускной способности (он известен как «пакетная передача») и был закреплен в стандарте. Значение «0» запрещает пакетную передачу — это означает, что после отправки пакета ситуацию в силу снова вступает DCF. Пакетная передача особенно полезна для транспортировки видео, а также — в меньшей степени — для голосовых услуг. В остальных случаях ее следует избегать, поскольку она увеличивает задержку для видео- и голосовых услуг.

Естественно, необходимо определить, по каким правилам устройство беспроводной сети с поддержкой качества услуг будет классифицировать поступающие из сети пакеты и отправлять их с нужными параметрами. В идеальном случае пакеты уже снабжены тегом приоритета или виртуальной локальной сети в соответствии со стандартом IEEE 802.1p/Q: задаваемые с их помощью восемь классов можно отобразить на определенные в беспроводной сети четыре класса в соответствии с описанной в стандарте 802.11e таблицей. Однако на практике задание тегов встречается нечасто, что вынуждает заглянуть в пакет несколько глубже и использовать для классификации, к примеру, поле TOS/DSCP в заголовке IP. Если и здесь приложение не укажет ничего другого, кроме «обычный трафик», администратору придется вмешаться и вручную задать необходимые правила. Стандарт 802.11e предусматривает механизмы, с помощью которых точка доступа способна, к примеру, передавать такие правила клиентам, при этом их нужно определить лишь однажды и для всех сразу.

Наряду с EDCF стандарт 802.11e предусматривает метод управляемого доступа к каналам с помощью функции гибридной координации (HCF Controlled Channel Access, HCCA) для контроля доступа к среде. В противоположность простому назначению приоритетов участники напосредственно получают TxOP, а следовательно, и время доступа к среде. Такое распределение необходимо, к примеру, для мультимедийной передачи с заранее известной и принудительно предоставляемой пропускной способностью. Вполне возможно использование точкой доступа EDCF и HCCA в смешанном режиме, т. е. зарезервированные промежутки времени чередуются с периодами, в течение которых станции могут передавать данные без явного требования. HCCA в отличие от EDCF полезна только в «инфраструктурных» сетях, где точка доступа функционирует в качестве центральной инстанции управления.

ПЕРЕДАЧА ГОЛОСА ПО БЕСПРОВОДНЫМ СЕТЯМ

Важнейшую область применения для качества услуг в беспроводной сети представляет собой использование телефонов на базе WLAN. Существенным критерием является длительность работы от аккумулятора: в этом отношении мобильные телефоны WLAN должны сравняться с решениями на базе DECT или GSM, которым они, судя по всему, еще некоторое время будут проигрывать. Для начала необходимо, чтобы мобильный телефон WLAN мог работать в течение обычного рабочего дня без перерыва на подзарядку. Стандарт 802.11 предусматривает для этого определенный механизм энергосбережения, с помощью которого мобильное устройство способно полностью отключать свой радиомодуль. Точка доступа обязана буферизовать поступившие за это время пакеты и при запросе станции отправлять сразу все. В своем «сигнале маяка» точка доступа передает последовательность разрядов, руководствуясь которыми станции смогут выяснять, есть ли для них пакеты (см. Рисунок 2). Поскольку находящаяся в режиме энергосбережения станция, как правило, «откликается» не на каждый «сигнал маяка», в таких ситуациях не исключены значительные задержки.

Рисунок 2. Классическое энергосбережение по стандарту 802.11: «спящая» станция регулярно откликается на посылаемые точкой доступа «сигналы маяка» и требует предназначенные ей данные. Из-за жесткого задания интервалов времени между поступающими «сигналами маяка» возникают значительные задержки.
Стандарт 802.11e дополняет режим энергосбережения технологией автоматической доставки (Automatic Powersave Delivery, APSD): благодаря ей станция уже не должна включать свой радиомодуль для приема каждого «сигнала маяка», который посылается точкой доступа через фиксированные промежутки времени (и в 90% случаев содержит лишь информацию о том, что никаких новых пакетов пока нет), зато путем отправки пакета данных она может затребовать в неявной форме у точки доступа именно те пакеты, которые относятся к классу с определенным приоритетом. Таким способом станция получает все накопившиеся пакеты именно в тот момент, когда ей итак необходимо активировать радиомодуль для отправки данных — распространенный сценарий для телефонов WLAN с их двунаправленным потоком данных (в соответствии с транспортным протоколом реального времени — Real-time Transport Protocol, RTP). Работающее на телефоне WLAN приложение передачи голоса по IP может точно так же оказывать опосредованное влияние на время активации радиомодуля и забирать предназначенные ему данные в более удобные для него сроки по сравнению с теми, которые жестко задает маяк (см. Рисунок 3).
Рисунок 3. Энергосбережение в случае автоматической доставки: посылка станцией пакета с определенным приоритетом заставляет точку доступа отправить ей все пакеты указанного класса.
Приложения, нуждающиеся в качественных услугах, к примеру передача голоса по IP или видеоданных, — это приложения реального времени, т. е. пакет должен дойти до получателя за определенный промежуток времени, чтобы его отправка была оправдана. Если в процессе передачи он теряется, повторение не имеет смысла, поскольку содержавшаяся в пакете информация стала уже неактуальной. На уровне IP это обстоятельство учитывается благодаря тому, что в качестве протокола используется не TCP, а UDP. Однако потенциальным «повторителем» все еще может служить беспроводная сеть. Стандарт 802.11 предусматривает подтверждение получателем приема отправленных ему (не являющихся групповыми) пакетов. В противном случае отправитель повторяет передачу пакета до тех пор, пока не получит подтверждение или не будет достигнуто максимальное число попыток.

Описанный механизм, с одной стороны, служит для того, чтобы сократить высокие потери пакетов в беспроводных сетях и довести их хотя бы до уровня кабельных сетей. С другой стороны, отправитель может отреагировать на изменение качества соединения, уменьшив, например, скорость передачи данных при повторной попытке. Стандарт 802.11e вводит возможность передачи пакетов без подтверждения приема. В качестве альтернативы можно предусмотреть подтверждение приема целой группы пакетов — это полезно в сочетании с пакетной функцией EDCF для передачи большого блока данных видеопотока за максимально короткое время.

ОТ СТАНДАРТА К ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ

Альянс Wi-Fi определил упомянутый выше проект стандарта мультимедиа Wi-Fi (Wi-Fi Multimedia, WMM) со всеми полагающимися сертификациями, причем он содержит лишь самые необходимые для практического применения функции стандарта 802.11e. Прежде всего к ним относится EDCF, которая считается в целом достаточной для назначения приоритетов услугам VoIP, и даже «пионер в области качества услуг» SpectraLink принял эту функцию в качестве альтернативы собственному методу. HCCA пока не входит в спецификации WMM, очевидно потому, что резервирование пропускной способности для мультимедийных услуг до сих пор считается нишевой темой. APSD, напротив, уже нашла свое место в тестовом комплекте Wi-Fi под названием «Энергосбережение в WMM» (WMM Powersaving).

Обобщая, можно сказать, что стандарты 802.11e и WMM справляются с требованиями в отношении качества услуг, предъявляемыми сегодня к беспроводным сетям. При покупке нового оборудования для беспроводных сетей следует обращать внимание, по меньшей мере, на возможность его дооснащения. Как и в случае с защищенным доступом Wi-Fi (Wi-Fi Protected Access, WPA) или 802.11i, надежность цепи определяется прочностью ее самого слабого звена: если соединение VoIP мобильного телефона WLAN не заканчивается в локальной сети, а проходит еще через Internet или туннель виртуальной частной сети (Virtual Private Network, VPN), то маршрутизаторы должны производить надлежащее назначение приоритетов. На практике именно на указанном участке, а не в беспроводной сети зачастую возникает то самое «игольное ушко», причина появления которого заключается в недостаточной пропускной способности или высокой задержке.

Альфред Арнольд — доктор технических наук, разработчик микропрограммного обеспечения LANCOM Systems.

© AWi Verlag

Глоссарий

AIFS
Межкадровый арбитражный интервал (Arbitration Inter-Frame Spacing)

APSD
Автоматическая доставка в режиме энергосбережения (Automatic Powersave Delivery)

CSMA/CA
Множественный сетевой доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)

CSMA/CD
Множественный сетевой доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)

CW
Конфликтное окно (Contention Window)

DCF
Функция распределенной координации (Distributed Coordination Function)

DECT
Усовершенствованный стандарт цифровой беспроводной связи (Digital Enhanced Cordless Telecommunicаtions)

DIFS
Межкадровый интервал DCF (DCF Inter-Frame Spacing)

DSCP
Кодовая точка дифференцированных услуг (Differentiated Services Code Point)

EDCF
Расширенная функция распределенной координации (Enhanced DCF)

GSM
Глобальная система связи с подвижными объектами (Global System for Mobile Com-munications)

HCCA
Управляемый доступ к каналам с помощью функции гибридной координации (HCF Controlled Channel Access)

HCF
Функция гибридной координации (Hybrid Coordination Function)

PCF
Функция точечной координации (Point Coordinator Function)

QoS
Качество услуг (Quality of Service)

RTP
Транспортный протокол реального времени (Real-time Transport Protocol)

SVP
Голосовой протокол SpectraLink (SpectraLink Voice Protocol)

TOS
Тип услуги (Type of Service)

TxOP
Возможность передачи (Transmit Opportunity)

VLAN
Виртуальная локальная сеть (Virtual LAN)

VoIP
Передача голоса по IP (Voice over IP)

VPN
Виртуальная частная сеть (Virtual Private Network)

WLAN
Беспроводная локальная сеть (Wireless LAN)

WMM
Мультимедиа Wi-Fi (Wi-Fi Multimedia)