התפקיד הקריטי של פרוטוקולי MAC Layer בתקשורת אלחוטית

תקשורת אלחוטית עיצבה באופן יסודי את האופן שבו יחידים, ארגונים והמכשירים אינטראקציה.מסטרימינג וידאו בעל הגנה גבוהה על טלפון חכם כדי לתאם רשתות חיישן במפעלים חכמים, האמינות והיעילות של מערכות אלחוטיות תלויים במידה רבה על רכיב יסוד: ה-FLT:0Medium Access Control (MAC) מספק את פלטפורמת הבקרה האלחוטית של ה-MAC)FLT:1 , הנמצאת בתוך שכבת הקישור של המודל של מערכת ההפעלה I, פועלת כפעולות מתקדמות לפרוטוקולים של ה-C.

שם ה- MAC Layer Fits: The OSI Model Context

כדי להעריך את התפקיד של פרוטוקולי MAC, יש להבין תחילה את מקומם בערימה של הרשת.מודל Open Systems interconnection (OSI) מחלק את התקשורת ברשת לשבע שכבות.השכבה השנייה, ה-FLT:0Data Link LayerFLT:1, מחולק לשני תת-שכבות:

  • (ב) ⁇ :0) בקרת קישורים לוגיסטיים (LLC): נספח 1:1; les multiplexing, Flow control, and Error Recovery forמסגרות שעוברות את הרשת.
  • (FLT:0Medium Access Control (MAC): Governs כיצד מכשירים מקבלים אישור להעביר נתונים על המדיום הפיזי ולנהל את העוקץ, טיפול וזיהוי שגיאות של נתונים אלה.

ברשתות חוטיות, פרוטוקולי MAC הם פשוטים יחסית - לדוגמה, Ethernet נושא משתמש ב- Sense Multiple Access עם זיהוי קולי (CSMA/CD) בסביבות אלחוטיות, אך המדיום משותף באופן מהותי, פתוח להפרעות, ו נוטה לאותתות.זה הופך את העבודה של ה- MAC להרבה יותר מורכבת וביקורתית.

פונקציות ליבה של פרוטוקולי MAC

בעוד יישום ספציפי משתנה על פני סטנדרטים, כל פרוטוקולי MAC מבצעים מערכת של חובות חיוניים כדי לשמור על תקשורת מסודרת ויעילה.

ערוץ Access Control

הפונקציה העיקרית של כל פרוטוקול MAC היא לקבוע FLT:0 כאשר מכשיר מותר לשדר את ההרחבה 1 [ללא שליטה, שידורים בו זמנית של מכשירים מרובים יהתנגשו, משחיתים את הנתונים.ערוצי הגישה של ערוץ ליפול לשתי קטגוריות רחבות: תוכן מבוסס (גישה ארסית) ופרוטוקולים מבוקרים מבוקרים (מבוססים על תוכן) כגון CSMA/CA שימוש בפרוטוקולים (שימושיים) דורשים מנגנונים קבועים למניעת התנגשויות כגון מנגנונים של שימוש בפרוטוקולים של שימוש בפרוטוקולים של שימוש בפרוטוקולים של TD (revation).

המונחים: Delimiting and Format

השכבה MAC מחלחלת לחבילות גבוהות יותר, הוספת כותרות וטריילרים.זה מסמן את ה-FLT:0start וסוף כל מסגרתFLT:1 באמצעות תבניות ספציפיות דלמסטר.זה מאפשר למכשיר המקבל לסנכרן ולהפיק את החיוב כראוי.

כתובת: MAC address

כל בקר ממשק רשת (NIC) מוקצה כתובת ייחודית של 48 סיביות במפעל.שכבת MAC משתמשת כתובות אלה כדי לזהות את המקור ואת היעד של כל מסגרת.ברשתות אלחוטיות, טיפול תומך גם מסגרות מרובותcast ורדיו, המאפשר הפצה יעילה לנמעןים מרובים מבלי לדרוש שידורים חד-כיטקיים חוזרים.

זיהוי שגיאות ותיקון

המדיום האלחוטי הוא שגיאה-prone עקב רעש, הפרעה, וסימן הפחתה.פרוטוקולים MACtrans כוללים AFLT:0Frame Check SequenceFLT:1 (לעתים קרובות בדיקת אדמוניות מחזורית, CRC) המאפשרת למקבל לבדוק אם הוא הושחית במהלך שידור.

בקרת זרימה והימנעות מהקואליציה

בתרחישים גבוהים של חישוב, שולח מהיר יכול להציף מקלט איטי יותר.פרוטוקולים MAC כוללים לעתים קרובות מנגנוני בקרת זרימה - כגון השימוש RTS /CTS (בקשה לשלוח / Clear to Send) מסגרות ב-Wi-Fi - כדי למנוע buffer overflows ולהפחית התנגשויות.בנוסף, כמה פרוטוקולים ליישם בקשה אוטומטית חוזרת (ARQ) כדי לנהל רנסנסרים המבוססים על משוב.

איכות השירות (QoS) תמיכה

עם הפצת יישומים בזמן אמת כמו קול ווידאו, פרוטוקולים מודרניים רבים MAC משלבים את ה-FLT:0QoS preitizationFLT:1 .לדוגמה, IEEE 802.11e שיפר את ה-Wi-Fi MAC לתמיכה בקטגוריות גישה שונות (למשל, קול, וידאו, מאמץ הטוב ביותר, רקע), כל אחד עם חלון התוכן שלה ו-Breakcating (FS רגישה זו מקבלת טיפול משותף).

קטגוריות עיקריות של פרוטוקולי MAC

רשתות אלחוטיות מעסיקות אסטרטגיות MAC מגוונות, כל אחת מהן מתאימה לתרחישים ספציפיים.הסעיפים הבאים מפורטים את משפחות הפרוטוקול המשפיעות ביותר.

פרוטוקולים מבוססי תוכן

(FLT:0)CSMA/CAIRFLT:1 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Preventance) הוא אבן הפינה של רשתות Wi-Fi (IEEE 80.11), בניגוד ל- CSMA /CD, תחנות אלחוטיות לא יכולות לזהות התנגשויות באופן אמין כי האותות של משדרים מטביעות אחרים.

המקור (FLT:0) OHAFLT:1 ו-FLT:2Slotted ALOHAFLT 3 פרוטוקולים פשוטים אך פחות יעילים. in Pure ALOHA, מכשירים לשדר מיד כאשר החבילה מגיעה; התנגשות הם נפוצים, ובאמצעות לוחות בנוגע ל- 18%.

פרוטוקולים מבוססי הזמנה

(FLT:0)TDMA (Time Division Multiple Access) ההרחבה 1 (FLT:0) מחלק את הערוץ למסגרות זמן, כל אחד מהם מחולק לחריצים.כל מכשיר מוקצה אחד או יותר חריצים במהלךו יש זכויות שידור בלעדיות.TDMA משמש באופן נרחב ברשתות סלולריות (למשל, GSM), תקשורת לווינית, ופרוטוקולים רבים של חיישן כמו IEEE 802.1 (Zigbit) מציעה נתונים לאומנים, אך אינם מאובטחים, אך אינם מספקים להם רוחב פסים, אך אינם מתאימים לכדי בעיות רוחב פסים, אך ורק ל-פרך, אך אינם מספקים אותם, אך ורק ל-פרך, אך אינם מספקים אותם, אך אינם מספקים אותם ל-פרך, אך אינם מספקים אותם ל-פסיביים, אך אינם מספקים אותם, אך ורק לפרוטוקולים, אך אינם מספקים אותם לפרוטוקולים, אך אינם מספקים אותם ל-פסיביים, אך אינם מספקים אותם ל-פסים, אלא ל-פסיביים, אך ורק ל-PTIBreatives מאובטחים, אך אינם מספקים אותם ל-PTIBObsp, אך אינם מספקים אותם, אך אינם מספקים אותם, אך אינם מספקים אותם ל-PTSD, אך אינם מספקים אותם ל-PT

(FLT:0)FDMA (Frequency Division Multiple Accesseur)FLT) 1 מחלק את הספקטרום הזמין ללהקות תדר נפרדות, כל אחד מוקדש למשתמש או להפעלה.המערכת התאית האנלוגית AMPS השתמש ב-FDMA, והוא נשאר מרכיב של תוכניות היברידיות.לדוגמה, GSM משלב FDMA (מספק להקות ל-200 ערוצי kHz) עם TDMA (זמן לערוץ).

(FLT:0)CDMA (Digital Multiple Access) ההרחבה מספר 1) מקצה קוד הפצה ייחודי לכל משתמש.כל המשתמשים משדרים בו זמנית על כל רצועת התדר, אך המקלט מתואם את האות הנכנס עם הקוד הידוע כדי לחלץ את הנתונים של המשתמש המיועד. CDMA הקים את הבסיס לרשתות תאיות 3G (IS-95, UMTS) ומציע הטבות ביד רכות, אם כי הוא דורש שליטה מדויקת.

פרוטוקולים היברידיים והתאמה

מערכות אלחוטיות מודרניות לעתים רחוקות מסתמכות על שיטת גישה אחת.FLT:0 (OFDMA) (אוטגולון Frequency Division Multiple Access)OVAFLT:1, המשמשות ב- LTE ו-Wi-Fi 6 (802.11ax), משלבות את FDMA ו-TDMA. הספקטרום מחולק ל- subcarcarcarcarcarrierים אורטוקונים, וקבוצות של חומרים מסוכנים (resource) הן מקודמים שונים עבור משתמשים בו זמנית.

פרוטוקולים היברידיים אחרים מתגים באופן דינמי בין מצבי תוכן והזמנות.לדוגמה, IEEE 802.11e HCF (Hybrid תיאום פונקציונלי) מאפשר גישה מבוססת תוכן (EDCA) וגישה ממוקדת, המבוססת על הזמנה (HCCA) עבור תעבורה רגישה QoS.

יישום אמיתי-עולם

הבנת פרוטוקולי MAC ב-Modert היא בעלת ערך, אך ההשפעה האמיתית שלהם נתפסת בסטנדרטים מופרסים:

  • (ה-Wi-Fi): השימוש ב- CSMA/CA עם שיפורים. 802.11ac הציג ערוצים רחבים יותר (עד 160 MHz) ו- MU-MIMO, בעוד 802.11ax (Wi-Fi 6) אימצו את ה-DMA כדי לשפר את היעילות בסביבות צפופות.
  • (FLT:0) Bluetooth (IEEE 802.15.1): ibph:1 ; מעסיקים תוכנית סקרים מבוסס TDMA מבוסס מאסטר-עבד.
  • (FLT:0)Zigbee (IEEE 802.15.4): ההרחבה של ההרחבה: CSMA/CA (עבור גישה מבוססת תוכן) ומנגנון זמן מובטח (GTS) עבור נתונים רגישים לזמן, המתאימים לרשתות חיישן ואוטומציה ביתית.
  • (FLT:05G NR (רדיו חדש): ההרחבה 1 (ה- 5G MAC גמישה מאוד, ניצול DMA עם מיני-לוטים, תזמון דינמי, וגישה ללא מענק לתקשורת אולטרה-עוצמה נמוכה (URC) השכבה הפיזית וה- MAC משולבים בקפידה כדי לתמוך ב-MIMO מסיבית ו- beamforming.

אתגרים עקביים עבור עיצוב MAC Protocol

למרות עשרות שנים של התקדמות, כמה אתגרים בסיסיים ממשיכים להניע מחקר ואבולוציה בעיצוב שכבת MAC.

בעיות טרמינל מוסתרות ומפוכחות

(ברשת אלחוטית, שני מכשירים שאינם בטווח של אחד מהם עשויים גם לנסות לשדר למכשיר שלישי שנמצא בטווח של שניהם.זהו ה-FLT:0) טרמינל 1 של כל אחד מהם, שבו ההתנגשויות מתרחשות ב- 3 מושבים, למרות שהמעבירים אינם יכולים לחוש את אחד מנושאי ה- RTSLT/CA כתובות אלה באמצעות מערכת ההפעלה RTS/SLTH: מכשיר קצר שולח מענה למסגרות סגורות ל- RTS/SK.

סקלאלה והוגנות

ככל שמספר המכשירים ברשת גדל, פרוטוקולים המבוססים על תוכן סובלים מהסתברות מוגברת של התנגשות וזמני חזרה יותר, מה שהופך את כל התפוקה. TDMA ו-DMA יכול להכיל מכשירים רבים, אבל מעל פני מענקים הופך משמעותי עבור מכשירים קצרים, מפוצץ.

אנרגיה יעילה

מכשירים המופעלים על ידי סוללה - מסמארטפונים ועד חיישני IoT - באופן ישיר על שכבת ה- MAC למזער את צריכת האנרגיה.פרוטוקולים רבים ליישם מצבי חיסכון באנרגיה: לדוגמה, תחנות Wi-Fi יכולות להיכנס למצב שינה ולהתעורר רק במרווחי Beacon המיועדים כדי לבדוק מסגרות מטבולות.ברשתות IoT, פרוטוקולים כמו LoRaWAN ו-NB-S-S-H-S-S-S-C-S-S-F-Cing ו-Aam-F-F-F-F-S-ens-Reble-Rep-Rep-Rep-Rep-Rep-Res-Res-Res-Res-Rep-Rep-Res-Res-Rep-Res-Res-Res-Res-Res-Res-Res-Res-Res-Res-Res-Res-Res-Res-Resto-Resk-Resk-Reviews-Res-Res-Resto-Res-Resto-Res-Res-Resto-Resto-Resto-Resto-Res

ניידות ו Handoff

כאשר מכשיר אלחוטי נע בין נקודות גישה או תחנות בסיס, השכבה MAC חייבת להתמודד עם (FLT:0handoffuaFLT:1 בצורה חלקה. ברשתות סלולריות, ה- MAC לתאם מדידות דיווח ותיקון חיבור. ב-Wi-Fi, תקנים נודדים מהירים (802.11r) להפחית את הזמן הנדרש כדי לשכפל ולחדש ניידות גבוהה.

אבטחה Vulnerabilities

מכיוון שהערוץ האלחוטי משודר, התוקפים יכולים בקלות ללכוד ולהזריק מסגרות. מנגנוני אבטחת MAC-layer כוללים אימות (למשל, 802.1X), הצפנה (AES-CCMP ב WPA2/WPA3), ובדיקות שלמות.עם זאת, פרצות ממשיכות -MAC spoofing,הכחשה-of-Service (DoS) באמצעות שיטפון של שינוי, והתקפות אבטחה חוזרת.

כיוונים עתידיים וחדשנות

הביקוש הבלתי פוסק לשיעורי נתונים גבוהים יותר, לנטיות נמוכות יותר, וקישוריות מכשירים מסיבית היא הדור הבא של פרוטוקולי MAC.מספר מגמות ראויות לציון במיוחד.

Machine Learning at the MAC Layer

אינטליגנציה מלאכותית, במיוחד למידה חיזוקית, מוחלת על אופטימיזציה של החלטות MAC באופן דינמי.לדוגמה, פרוטוקול CSMA/CA ML-augmented יכול ללמוד את גודל החלון או את אסטרטגיית ההנעה האופטימלית המבוססת על תנאי רשת בזמן אמת, איזון הסתגלותי באמצעות חישוב והגינות.

Mac for מילימטר-וייב ו-Tahertz Networks

בתדרים מעל 28 GHz (mmWave) ועד ללהקה terahertz, המאפיינים propagation להשתנות באופן דרמטי - אובדן נתיב גבוה, ימני כיוון ורגישות לחסום.MA פרוטוקולים עבור להקות אלה חייבים לשלב אימון beam, כיוון גבוה מאוד (narrow) beams, ושיקום בלוק מהיר.

Full-Duplex MAC

באופן מסורתי, מכשירים אלחוטיים פועלים במצב חצי-דופלקס – הם אינם יכולים לשדר ולקבל בו זמנית באותו תדירות.ההתקדמות האחרונה בביטול ההתערבות העצמית עשתה את FLT:0in-band-duplexFLT:1 הסתברותי.פרוטוקולים MAC צריכים להיות מעוצבים מחדש כדי לנצל את היכולת הזו, ומאפשר מכשיר להעביר ולקבל באותו זמן, באופן פוטנציאלי להכפיל את ההתנגשויות ולהפחית פרוטוקולים מוקדמים של מקלטים / גירסאות היברידיות של CSMAIQ.

שילוב עם רדיו קוגניטיבי ו- Spectrum Sharing

ככל שהספקטרום הופך להיות יותר ויותר נדיר, רשתות רדיו קוגניטיביות גישה באופן דינמי ללהקות מורשה ללא הפרעה עם משתמשים ראשוניים.שכבת MAC חייבת לחוש את הסביבה, לנהל משא ומתן על גישה לספקטרום, ולשחרר ערוצים במהירות כאשר משתמש ראשוני מופיע. למידת מכונה יכולה לשפר את הדיוק והחיזוי של פעילות המשתמש העיקרית, המוביל לגישה ⁇ סטית יעילה יותר.

Mac for Massive IoT ו- Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC)

האינטרנט של הדברים (IoT) כולל מיליארדי מכשירים עם שידורים ספירודיים, קטנים-נתונים. פרוטוקולים MAC מסורתיים יעילים עבור דפוס תנועה זה.פרוטוקולים חדשים כמו FLT:0grant-free AccessFLT:1 (שימוש ב 5G NR עבור כתובת URLLC) מאפשרים למכשירים להעביר נתונים במשאבים presolured ללא המתנה לתזמון, צמצום הגמישות באופן משמעותי עבור פרוטוקולים מרובים של שיתוף פעולה עם מגבלות (MA) באמצעות שימוש בפרוטוקולים שונים של שימוש ב-IoT (ללא מגבלות).

רשת קוונטית ודה-terministic Networking

עבור אוטומציה במפעל ויישומים קריטיים המשימה, פרוטוקולי MAC ⁇ המבטיחים עצלות ואפס הפסד החבילה הם חיוניים.-Time-Sensitive Networking (TSN) שפותחו במקור עבור Ethernet, הם מותאמים ל-Wi-Fi הוא אזור פעיל של סטנדרטיזציה 802.1Qb עבור לוח זמנים של זמן-aware . אינטגרציה של TSN עם 5GLC ו-Wi-Fi היא אזור פעיל של סטנדרטיזציה, במטרה מאוחדת, כדי ליצור רשת אלחוטית.

מסקנה

השכבה MACLT היא הגיבור הלא-מוזיק של תקשורת אלחוטית.זה הופך את המדיום כאוטית, משותף לערוץ מסודר שיכול לתמוך בכל דבר מטלפון יחיד להתקשר למיליוני חיבורי IoT בו-זמנית.הפרוטוקולים ששולטים בשכבה זו התפתחו ממנגנוני ALOHA פשוטים ועד לתכניות אלחוטיות ומתאימות, אשר משלבים את עקרונות ה-MIMO, של DMA ו- AI-AOL.