В беспроводных сетях проблема скрытого узла или проблема скрытого терминала возникает, когда узел может взаимодействовать с беспроводной точкой доступа (AP), но не может напрямую взаимодействовать с другими узлами, которые взаимодействуют с этой AP. [1] Это приводит к трудностям на подуровне управления доступом к среде, поскольку несколько узлов могут одновременно отправлять пакеты данных в AP, что создает помехи в AP, в результате чего пакеты не проходят.
Хотя некоторая потеря пакетов является нормальным явлением в беспроводных сетях, и более высокие уровни будут повторно отправлять их, если один из узлов передает много больших пакетов в течение длительного периода, другой узел может получить очень малую полезную пропускную способность .
Существуют практические протокольные решения для проблемы скрытого узла. Например, механизмы Request To Send/Clear To Send (RTS/CTS) , где узлы отправляют короткие пакеты, чтобы запросить разрешение точки доступа на отправку более длинных пакетов данных. Поскольку ответы от AP видны всем узлам, узлы могут синхронизировать свои передачи, чтобы не мешать друг другу. Однако механизм вносит задержку , и накладные расходы часто могут превышать стоимость, особенно для коротких пакетов данных.
Скрытые узлы в беспроводной сети — это узлы, которые находятся вне зоны действия других узлов или набора узлов. Рассмотрим физическую топологию звезды с точкой доступа и множеством узлов, окружающих ее по кругу: каждый узел находится в зоне действия связи точки доступа, но узлы не могут общаться друг с другом.
Например, в беспроводной сети вполне вероятно, что узел на дальнем конце диапазона точки доступа, который известен как A , может видеть точку доступа, но маловероятно, что тот же узел может взаимодействовать с узлом на противоположном конце диапазона точки доступа, C. Такие узлы известны как скрытые .
Другим примером может служить ситуация, когда A и C находятся по обе стороны препятствия, которое отражает или сильно поглощает радиоволны, но тем не менее они оба могут видеть одну и ту же точку доступа.
Проблема возникает, когда узлы A и C начинают одновременно отправлять пакеты точке доступа B. Поскольку узлы A и C не могут принимать сигналы друг друга, они не могут обнаружить столкновение до или во время передачи, множественный доступ с контролем несущей и обнаружением столкновений (CSMA/CD) не работает, и происходят столкновения, которые затем повреждают данные, полученные точкой доступа.
Для преодоления проблемы скрытого узла в точке доступа реализовано квитирование запроса на отправку/очистки отправки (RTS/CTS) ( IEEE 802.11 RTS/CTS ) в сочетании со схемой множественного доступа с контролем несущей и предотвращением столкновений ( CSMA/CA ). Та же проблема существует в мобильной сети ad hoc ( MANET ).
IEEE 802.11 использует пакеты подтверждения и рукопожатия 802.11 RTS/CTS для частичного преодоления проблемы скрытого узла. RTS/CTS не является полным решением и может еще больше снизить пропускную способность, но адаптивные подтверждения от базовой станции также могут помочь.
Сравнение со скрытыми станциями показывает, что пакеты RTS/CTS в каждом классе трафика являются прибыльными (даже с короткими аудиокадрами, которые вызывают высокие накладные расходы на кадры RTS/CTS). [2]
В экспериментальной среде включены следующие классы трафика: данные (не критичные по времени), данные (критичные по времени), видео, аудио. Примеры обозначений: (0|0|0|2) означает 2 аудиостанции; (1|1|2|0) означает 1 станцию данных (не критичные по времени), 1 станцию данных (критичные по времени), 2 видеостанции.
Другие методы, которые можно использовать для решения проблемы скрытых узлов:
Увеличение мощности передачи узлов может решить проблему скрытых узлов, позволяя ячейке вокруг каждого узла увеличиваться в размере, охватывая все остальные узлы. Такая конфигурация позволяет не скрытым узлам обнаруживать или слышать скрытый узел. Если не скрытые узлы могут слышать скрытый узел, скрытый узел больше не скрыт. Поскольку беспроводные локальные сети используют протокол CSMA/CA , узлы будут ждать своей очереди, прежде чем связаться с точкой доступа .
Это решение работает только в том случае, если увеличить мощность передачи на скрытых узлах. В типичном случае сети WiFi увеличение мощности передачи только на точке доступа не решит проблему, поскольку обычно скрытыми узлами являются клиенты (например, ноутбуки, мобильные устройства), а не сама точка доступа, и клиенты по-прежнему не смогут слышать друг друга. Увеличение мощности передачи на точке доступа на самом деле, скорее всего, усугубит проблему, поскольку это поместит новых клиентов в зону действия точки доступа и, таким образом, добавит в сеть новые узлы, скрытые от других клиентов.
Поскольку узлы, использующие направленные антенны , практически невидимы для узлов, которые не расположены в направлении, на которое направлена антенна, направленные антенны следует использовать только для очень маленьких сетей (например, выделенных соединений точка-точка ). Используйте всенаправленные антенны для широко распространенных сетей, состоящих из более чем двух узлов.
Увеличение мощности на мобильных узлах может не сработать, если, например, один узел скрыт, потому что есть бетонная или стальная стена, препятствующая связи с другими узлами. Сомнительно, что можно будет устранить такое препятствие, но устранение препятствия — это еще один метод решения проблемы скрытого узла.
Другой метод решения проблемы скрытого узла — перемещение узлов таким образом, чтобы они все могли слышать друг друга. Если выяснится, что проблема скрытого узла является результатом перемещения пользователем своего компьютера в область, скрытую от других беспроводных узлов, может потребоваться, чтобы этот пользователь снова переместился. Альтернативой принудительному перемещению пользователей является расширение беспроводной локальной сети для добавления надлежащего покрытия в скрытую область, возможно, с использованием дополнительных точек доступа.
Существует несколько программных реализаций дополнительных протоколов, которые по сути реализуют стратегию опроса или передачи маркера . Затем мастер (обычно точка доступа) динамически опрашивает клиентов на предмет данных. Клиентам не разрешается отправлять данные без приглашения мастера. Это устраняет проблему скрытого узла за счет увеличения задержки и снижения максимальной пропускной способности.
Wi-Fi IEEE 802.11 RTS/CTS — один из используемых протоколов рукопожатия. Клиенты, желающие отправить данные, отправляют кадр RTS, затем точка доступа отправляет кадр CTS, когда она готова к этому конкретному узлу. Для коротких пакетов накладные расходы довольно велики, поэтому короткие пакеты обычно не используют его, минимальный размер обычно настраивается.
В сотовых сетях проблема скрытых узлов имеет практическое решение путем мультиплексирования во временной области для каждого клиента на мачте и использования пространственно разнесенных передатчиков, так что каждый узел потенциально обслуживается любой из трех мачт, что значительно минимизирует проблемы с препятствиями, мешающими распространению радиосигнала.