0-2Локальные беспроводные сети (Лекции по Сетевым технологиям)

Типы беспроводных сетей

В настоящее время получили распространение следующие типы беспроводных сетей

• Локальные беспроводные сети. Дальность связи сетей этого типа составля­ет 50-150 м (в зависимости типа здания, материала стен и перекрытий и т. д.) и до 300 м на открытом пространстве. Здесь я говорю о реальной дальности связи, которая, как правило, на 40-50 % меньше максимальной расчетной дальности связи. По назначению эти сети являются сетями кол­лективного, корпоративного или общественного пользования и описывают­ся стандартами из семейства IEEE 802.11хWLAN).

• Персональные беспроводные сети. Персональные беспроводные сети осно­ваны на стандартах Bluetooth, IEEE 802.15.3 и IEEE 802.15.4, определяющих связь портативных вычислительных или телекоммуникационных устройств с беспроводными периферийными устройствами и аксессуарами, располо­женными на небольшом удалении (10-100 м) от пользователя. Для подобных сетей применяется альтернативное название «пикосеть». В настоящее время наибольшее распространение получили Bluetooth-гарнитуры для сотовых телефонов, а также разнообразные Bluetooth-устройства, подключаемые че­рез порт USB к ноутбукам, карманным и настольным компьютерам. Также в этом сегменте встречаются устройства, объединяемые в сеть с помощью инфракрасных каналов связи. Сети, относящиеся к этой категории, в основ­ном применяются для связи портативных устройств с компьютерами.

• Глобальные беспроводные сети. К этой категории относятся хорошо из­вестные всем телекоммуникационные сети сотовых операторов связи стан­дартов DAMS, GSM/GPRS, CDMA, 3G, спутниковые каналы связи, а также сети стандарта IEEE 802.16 (WiMAX).

Локальные беспроводные сети

История стандартов семейства 802.11х насчитывает меньше одного десятиле­тия. Первый стандарт из этого семейства (IEEE 802.11) появился в не столь уж далеком 1997 году. И уже в 1999 году объем продаж устройств для беспровод­ных сетей достиг 600-770 млн долл., а в 2004 году — порядка 3 млрд долл. На этом фоне происходит также быстрое развитие технологии передачи данных в беспроводных сетях и оборудования для них. Так, скорость передачи данных увеличилась с 1-2 до 54 Мбит/с, и примерно в этой же пропорции уменьшилась стои­мость оборудования. Исходный стандарт IEEE 802.11 породил много производных стандартов. В 1999 году появился первый потомок, IEEE 802.11b (который ши­роко применяется и в настоящее время), а сегодня появляется оборудование стандарта IEEE 802.11n.

Режимы работы локальных беспроводных сетей

Локальные беспроводные сети могут функционировать в следующих режимах:

• Ad Нос («каждый с каждым»);

• Infrastructure Mode («инфраструктура»).

А теперь подробнее остановимся на описании каждого из режимов работы.

Первый и самый простой режим работы локальной беспроводной сети называ­ется режимом Ad Нос (рис. 1).

Рис. 1. Простейшая беспроводная локальная сеть

Иногда для описания этого режима используют синоним «одноранговая сеть» (Peer to Peer). Компьютеры и другие аппаратные компоненты, образующие подобную сеть, могут связываться непосредственно друг с другом. Единствен­ное, что для этого требуется, — оборудовать каждый компьютер беспроводным адаптером.

ПРИМЕЧАНИЕ

Иногда для обозначения режима работы сетей Ad Hoc используется аббревиатура IBSS (Independent Basic Service Set — независимый базовый набор услуг).

Преимущества этого режима очевидны — простота применяемого оборудова­ния, а также легкость настройки. Недостатки — невозможность подключения к другим сетям (в том числе и к Интернету), а также ограниченная дальность связи.

Этот режим работы беспроводной локальной сети рекомендуется использовать в том случае, когда вы развертываете временную сеть, предназначенную исклю­чительно для обмена данными между рабочими станциями.

Если вы развертываете фиксированную (стационарную) беспроводную локальную сеть, которая должна подключаться к обычным «кабельным» сетям или непосредственно к Интернету, а также охватывает большую территорию, рекомендуется выби­рать сеть, работающую в режиме Infrastructure Mode. Компоненты подобных се­тей обмениваются данными не напрямую, а посредством точки доступа (access point), как показано на рис. 2. Это устройство служит концентратором (помните кабельные сети стандарта 100BASE-T?), с помощью которого осуще­ствляется подключение к внешним сетям (в том числе и к кабельным), а также к Интернету. Сети, в состав которых входит точка доступа, называются также инфраструктурными сетями.

Сеть Ethernet

Рис. 2. Более сложная беспроводная локальная сеть

В инфраструктурных сетях обмен данными с точками доступа осуществляется в двух режимах:

• BSS (Basic Service Set — базовый набор услуг);

• ESS (Extended Service Set — расширенный набор услуг).

Обычно в документации, прилагаемой к точке доступа, указываются рабочие режимы. Первый режим является «классическим» и определяет обмен данны­ми в беспроводной сети исключительно через единственную точку доступа. Эта же точка доступа может исполнять роль моста во внешнюю сеть, включая Ин­тернет.

В рабочем режиме ESS сеть приобретает более сложную структуру — своего рода суперсеть, объединяющая несколько сетей, работающих в режиме BSS. Это означает, что в беспроводной сети функционируют несколько точек досту­па, причем информация между ними может передаваться как с помощью обыч­ных кабельных каналов связи, так и посредством радиоканалов. В последнем случае мы имеем дело с так называемыми радиомостами.

А теперь рассмотрим особенности, обеспечиваемые различными стандартами беспроводных сетей. Эти знания позволят вам безошибочно выбрать сетевое оборудование, поскольку в прилагаемой к нему документации на первом месте указываются поддерживаемые стандарты.

Стандарты беспроводных локальных сетей

Семейство стандартов IEEE 802.11x

В 1997 году был принят стандарт для беспроводных сетей IEEE 802.11. Стандарт содержит следующие спецификации:

• 802.11 — первоначальный стандарт WLAN. Поддерживает передачу данных со скоростями от 1 до 2 Мбит/с.

• 802.11а — высокоскоростной стандарт WLAN для частоты 5 ГГц. Поддерживает скорость передачи данных 54 Мбит/с.

• 802.11b — стандарт WLAN для частоты 2,4 ГГц. Поддерживает скорость передачи данных 11 Мбит/с.

• 802.11е — устанавливает требования качества запроса, необходимо для всех радио-интерфейсов IEEE WLAN.

• 802.11f — описывает порядок связи между равнозначными точками доступа.

• 802.11g — устанавливает дополнительную технику модуляции для частоты 2,4 ГГц. Предназначен для обеспечения скоростей передачи данных до 54 Мбит/с.

• v802.11h — описывает управление спектром частоты 5 ГГц для использования в Европе и Азии.

• 802.11i - исправляет существующие проблемы безопасности в областях аутентификации и протоколов шифрования.

Разработкой и поддержкой стандарта IEEE 802.11 занимается комитет Wi-Fi Alliance. Термин Wi-Fi (Wireless Fidelity) используется в качестве общего имени для стандартов 802.11а и 802.11b, а также всех последую­щих, относящихся к беспроводным локальным сетям (WLAN).

Подробнее о стандарте IEEE 802.11

Следует отметить, что в основу всех производных стандартов положены техни­ческие решения, выработанные при создании стандарта IEEE 802.11.

Рис. 3. Стек протоколов IEEE 802.11

Для нового обору­дования потребовался единый стандарт. И в июле 1997 года рабочая группа № 11 Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) подвела первые итоги разработок нового стандарта, начатых еще в 1989 году. В результате был опубликован стандарт IEEE 802.11, который получил назва­ние «Спецификация физического уровня и уровня контроля доступа к каналу передачи беспроводных локальных сетей» (Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications). В этом стандарте определены архитекту­ра беспроводной сети, а также соответствующие требования к функциям уст­ройств, принципы доступа устройств к каналам связи, формат пакетов переда­чи, способы аутентификации и защиты данных. Хотя этот стандарт изначально задумывался как независимый по отношению к какому-либо частотному диапа­зону, на физическом уровне он определял беспроводные сети, работающие в ин­фракрасном и радиодиапазоне. Для оптических сетей предусматривалось ис­пользование инфракрасного диапазона, в котором применяется импульсно-позиционная модуляция (Pulse Position Modulation, PPM). При этом виде моду­ляции данные передаются в виде импульсов излучения. Для радиосети выде­лялся диапазон 2,4-2,4835 ГГц, а также применялись методы кодирования сиг­нала с расширением спектра методом частотных скачков (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum) и кодирования сигнала с расширением, спектра с по­мощью кода прямой последовательности (DSSS, Direct Sequence Spread Spec­trum). Скорости передачи данных составляли 1 и 2 Мбит/с.

Стандарт IEEE 802.11 охватывает два нижних уровня модели взаимодействия открытых систем (OSI) — физический и канальный уровни. Причем последний уровень подразделяется на два подуровня: Logical Link Control (LLC) и Me­dium Access Control (MAC). Иными словами, на физическом уровне стандарт определяет оперирование в среде передачи, скорость обмена данными и приме­няемые методы модуляции радиосигнала. На МАС-уровне определяются принципы, в соответствии с которыми устройст­ва используют общий канал, задаются способы подключения к точкам доступа, а также идентификации устройств и механизмы защиты данных. Поскольку стандарт IEEE 802.11 разрабатывался в качестве «беспроводного» аналога Ethernet, предусматривается передача пакетов с 48-битовыми адресами, как в любой сети Ethernet. Обратите внимание на то, что все уровни модели OSI, которые находятся «выше» среды передачи, одинаковы для всех спецификаций семейства IEEE 802. Поэтому кабельные и беспроводные сети IEEE 802.x легко интегрируются.

Поскольку стандарт IEEE 802.11 разработан в США, применяемый диапазон частот выбран в соответствии с действующими в этой стране правилами. Изна­чально он был ориентирован на диапазон 2,400-2,4835 ГГц с шириной полосы 83,5 МГц. Ширина канала по уровню сигнала -30 дБ составляет 22 МГц, следо­вательно, в полосе 83,5 МГц возможно выделение трех не перекрывающихся ка­налов связи.

В этом стандарте предусмотрены два основных режима сети — Ad Hoc и Infrastructure Mode.

Стандарт IEEE 802.11 предусматривает возможность перемещения устройств из зоны одной точки доступа в зону другой (роуминг), обеспечивая требуемую степень мобильности пользователей. Функции управления распределены между всеми устройствами сети IEEE 802.11 — так называемый режим DCF (Distributed coordination function — рас­пределенная координирующая функция). Обычно этот режим управления реа­лизован в сетях Ad Hoc.

В инфраструктурных сетях реализуется администрирование на основе режима PCF (Point Coordination Function — точечная координирующая функция). В этом случае функции управления трафиком передаются точке доступа. Необ­ходимость в применении этого режима возникает при передаче чувствительной к задержкам информации (например, потоков видеоинформации). Задержки в сетях IEEE 802.x возникают по причине использования принципа конкурент­ного доступа к каналу — «кто первым пришел, тот и взял». А режим PCF позво­ляет задать необходимые приоритеты, поэтому при передаче, например, потоко­вого видео без него просто не обойтись.

Протоколы передачи данных, применяемые в беспроводных сетях, основанных на стандартах IEEE 802.11, используют технологию передачи широкополосных сигналов (Spread Spectrum, SS). Суть этой технологии заключается в преобра­зовании исходного сигнала таким образом, что результирующий сигнал расши­ряется и распределяется по всему доступному диапазону. Вследствие закона со­хранения энергии при расширении занимаемого частотного диапазона происходит снижение энергетической плотности передаваемого сигнала. Прямым следствием этого обстоятельства является падение максимальной мощности, что влечет за собой «зашумление» полезного сигнала. На самом деле это не страшно, по­скольку предусмотрены эффективные методы восстановления полезного сигна­ла, «теряющегося» на фоне шумов.

Возникает закономерный вопрос: «Зачем создавать себе проблемы (снижать мощность сигнала), чтобы потом их решать (выделять по­лезный сигнал на фоне шума)?». На самом деле причина этого нелогичного (только на первый взгляд) поступка весьма логична — необходимость размеще­ния как можно большего количества каналов передачи данных в пределах узко­го частотного диапазона. Так, для оборудования, поддерживающего стандарт IEEE 802.11, отводятся частотный диапазон 2400-2483,4 МГц (стандарты IEEE 802.11b/g), а также диапазон 5725-5875 МГц (стандарт IEEE 802.11a). Как видите, диапазон частот довольно узок, поэтому приходится применять специальные методы, обеспечивающие мирное сосуществование перекрываю­щих друг друга каналов передачи данных.

Изначально предусматривалось применение двух технологий кодирования сиг­нала методом распределения спектра. Их еще называют методами модуляции, поскольку в результате их применения на исходный высокочастотный сигнал «накладывается» полезная информация.

Первая из них основана на применении технологии DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum — кодирование сигнала с расширением спектра с помощью кода прямой последовательности) совместно с использованием модуляции ССК (Complementary Code Keying — дополнительная кодовая модуляция), ко­торый поддерживает скорость передачи данных до 11 Мбит/с.

ПРИМЕЧАНИЕ

Изначально скорость передачи данных не превышала 2 Мбит/с, с появлением же стандарта IEEE 802.11b выросла до 11 Мбит/с.

Вторая основана на методе FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum — коди­рование сигнала с расширением спектра методом частотных скачков).