Protokół Medium Access Control (MAC) używany w Wi-Fi jest podstawowym składnikiem standardu IEEE 802.11. Protokół MAC odgrywa kluczową rolę w zarządzaniu sposobem uzyskiwania przez urządzenia dostępu do medium komunikacyjnego i udostępniania go w sieci Wi-Fi. Wykorzystuje wariant mechanizmu wielokrotnego dostępu z funkcją Carrier Sense z unikaniem kolizji (CSMA/CA) do zarządzania rywalizacją i zapewnienia uporządkowanej transmisji danych. Oto szczegółowe wyjaśnienie protokołu MAC używanego w Wi-Fi:
1. Przegląd IEEE 802.11:
- Bezprzewodowe sieci lokalne (WLAN): IEEE 802.11 to zestaw standardów definiujących specyfikacje komunikacji bezprzewodowej w sieciach lokalnych, powszechnie znanych jako Wi-Fi.
- Architektura warstwowa: Standard IEEE 802.11 działa głównie w warstwach fizycznych (PHY) i łącza danych (MAC) modelu OSI.
2. Warstwa kontroli dostępu do nośnika (MAC):
- Obowiązki: Warstwa MAC jest odpowiedzialna za zarządzanie dostępem do współdzielonego medium komunikacyjnego, rozwiązywanie problemów związanych z rywalizacją, unikaniem kolizji i efektywną transmisją danych.
3. Wykrywanie wielokrotnego dostępu z funkcją unikania kolizji (CSMA/CA):
- Podstawowa zasada: Protokół MAC w Wi-Fi wykorzystuje CSMA/CA, gdzie urządzenia nasłuchują kanału przed rozpoczęciem transmisji.
- Unikanie kolizji: Wykrywając stan kanału, urządzenia starają się unikać kolizji, opóźniając transmisję, jeśli wykryją trwające działania.
4. Działanie CSMA/CA:
- Ocena czystego kanału (CCA): Urządzenia wykonują CCA w celu ustalenia, czy kanał jest wolny, czy też zajęty przez inne transmisje.
- Mechanizm wycofywania: Jeśli kanał jest zajęty, urządzenia inicjują okres wycofywania, czekając przez losowy czas przed ponowną próbą transmisji, aby zminimalizować prawdopodobieństwo kolizji.
5. Żądanie wysłania/Zgoda na wysłanie (RTS/CTS):
- Mechanizm opcjonalny: Aby rozwiązać problemy takie jak problem z ukrytym węzłem, protokół MAC umożliwia użycie RTS/CTS.
- RTS: Ramka żądania wysłania jest wysyłana przez nadajnik do docelowego odbiornika, sygnalizując zamiar transmisji.
- CTS: Ramka Clear to Send jest wysyłana przez odbiornik, zezwalając nadajnikowi na kontynuowanie transmisji danych.
6. Potwierdzenie i retransmisja:
- Ramki potwierdzenia: Po pomyślnym odebraniu ramki danych odbiorca wysyła ramkę potwierdzenia z powrotem do nadawcy.
- Retransmisja: W przypadku braku potwierdzenia nadawca zakłada kolizję lub błąd transmisji i inicjuje retransmisję ramki danych.
7. Rozproszona funkcja koordynacji (DCF):
- Tryb domyślny: Protokół MAC w sieciach Wi-Fi zazwyczaj działa w ramach funkcji rozproszonej koordynacji (DCF), wykorzystując CSMA/CA.
- Okno rywalizacji: DCF wykorzystuje okno rywalizacji, określające czas trwania okresu wycofywania. Większe okna rywalizacji wprowadzają większą losowość, aby zmniejszyć ryzyko kolizji.
8. Ulepszenia jakości usług (QoS):
- EDCA (Enhanced Distributed Channel Access): Aby spełnić wymagania QoS, Wi-Fi wprowadza EDCA, umożliwiając zróżnicowane traktowanie różnych typów ruchu.
- Kategorie dostępu: EDCA definiuje różne kategorie dostępu o różnych priorytetach, obsługujące głos, wideo i dane typu „best-effort” przy odpowiednim poziomie usług.
9. Format ramki i mechanizmy kontrolne:
- Struktura ramki MAC: Ramki MAC zawierają nagłówki i końcówki zawierające informacje sterujące, adresowanie i typ ramki.
- Ramki specjalne: Ramki potwierdzenia, ramki kontrolne i ramki zarządzające służą określonym celom, zapewniając niezawodną wymianę informacji.
10. Ewolucja i przyszłe ulepszenia:
- 802.11 Poprawki: Protokół MAC ewoluował poprzez różne poprawki (np. 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac, 802.11ax), wprowadzając poprawę szybkości transmisji danych, wykorzystania kanałów i ogólnej wydajności sieci.
- Wi-Fi 6 i nowsze: Najnowszy standard Wi-Fi 6 (802.11ax) wprowadza takie funkcje, jak kolorowanie podstawowego zestawu usług (BSS), docelowy czas budzenia (TWT) i wielokrotny dostęp z ortogonalnym podziałem częstotliwości (OFDMA). w celu zwiększenia wydajności w środowiskach o dużym natężeniu i zróżnicowanym ruchu.
Podsumowując, protokół MAC używany w sieciach Wi-Fi, zdefiniowany w standardzie IEEE 802.11, reguluje sposób, w jaki urządzenia rywalizują o dostęp do współdzielonego medium komunikacyjnego. Dzięki zastosowaniu CSMA/CA, mechanizmów potwierdzania i opcjonalnego RTS/CTS, protokół MAC zapewnia niezawodną i wydajną komunikację w sieciach Wi-Fi. Ciągły rozwój i zmiany odpowiadają wyzwaniom związanym z rosnącym zapotrzebowaniem na ruch i różnorodnymi wymaganiami dotyczącymi zastosowań.