49876 (Безпровідна мережа Wi-Fi, її будування), страница 2

- Можливість необмеженого переміщення в області покриття безпроводових локальних мереж, зберігаючи доступ до корпоративних інформаційних ресурсів.

- Можливість інсталяції безпроводової локальної мережі у випадках, коли встановлення звичайної кабельної мережі здійснити важко або взагалі неможливо.

- Можливість створення мобільних пересувних локальних відкритих мереж.

- Висока швидкість розгортання безпроводових локальних мереж.

- Близька до нуля вартість експлуатації безпроводових локальних мереж.

- Об’єднання територіально віддалених комп’ютерів.

Недоліками безпроводових мереж передачі даних є:

- Низька безпека і захищеність даних і самих мереж Wi-Fi.

- Швидка витрата батарейок через постійну роботу передавача в оснащених Wi-Fi мобільних пристроях.

1. Огляд стандартів технології Wi-Fi

В наш час існує ряд стандартів сімейства IEEE 802.11, зокрема 802.11, 802.11a, 802.11b, 802.11c, 802.11d, 802.11e і багато інших. Але на практиці найбільше часто використаються всього три, що визначені Інженерним інститутом електротехніки й радіоелектроніки (IEEE), це: 802.11b, 802.11g і 802.11a [1,2].

IEEE802.11 — початковий стандарт бездротових локальних мереж, заснований на бездротовій передачі даних в діапазоні 2,4 ГГц. Підтримує обмін даними з швидкістю до 1 — 2 Мбіт/с. Прийнятий в 1997 році.

IEEE802.11а — стандарт бездротових локальних мереж, заснований на бездротовій передачі даних в діапазоні 5 ГГц. Діапазон роздільний на три непересічні піддіапазони. Максимальна швидкість обміну даними складає 54 Мбіт/с, при цьому доступні також швидкості 48, 36, 24, 18, 12, 9 і 6 Мбіт/с.

IEEE802.11b — стандарт бездротових локальних мереж, заснований на бездротовій передачі даних в діапазоні 2,4 ГГц. Він був прийнятий в 1999 році в розвиток прийнятого раніше стандарту IEEE 802.11. У всьому діапазоні існує три непересічні канали, тобто на одній території, не впливаючи один на одного, можуть працювати три різні бездротові мережі. У стандарті передбачено два типи модуляції — DSSS і FHSS. Максимальна швидкість роботи складає 11 Мбіт/с, при цьому доступні також швидкості 5,5, 2 і 1 Мбіт/с. Стандартом 802.11b передбачене автоматичне зниження швидкості при погіршенні якості сигналу[3]. Продукти стандарту IEEE 802.11b, що поставляються різними виготівниками, тестуються на сумісність і сертифікуються організацією Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), яка в даний час більше відома під назвою Wi-Fi Alliance.

IEEE802.11b+ — покращена версія стандарту 802.11b у виконанні окремих виробників, що забезпечує підвищення швидкості обміну даними. У інтерпретації компанії Texas Instruments відрізняється від оригінального варіанту модуляцією PBCC (Packet Binary Convolutional Coding), подвоєною максимальною швидкістю (до 22 Мбіт/с). Також анонсувалися рішення з продуктивністю, збільшеною до 44 Мбіт/с.

ІЕЕЕ802.11e – головне призначення даного стандарту пов'язане з використанням засобів мультимедіа. Він обумовлює механізм призначення пріоритетів різним видам трафіка - таким, як аудіо- і відеододатків. Вимога якості запиту, необхідне для всіх радіо інтерфейсів IEEE WLAN.

IEEE802.11g — стандарт бездротових локальних мереж, заснований на бездротовій передачі даних в діапазоні 2,4 ГГц. Він є більш новим стандартом в порівнянні з 802.11b. Максимальна швидкість передачі даних у бездротових мережах IEEE 802.11g становить 54 Мбіт/с. Діапазон розділений на три непересічні канали, тобто на одній території, не впливаючи одна на одну, можуть працювати три різні бездротові мережі. Для збільшення швидкості обміну даними при ширині каналу, схожій з 802.11b, застосований метод модуляції з ортогональним частотним мультиплексуванням (OFDM - Ortogonal Frequency Division Multiplexing), а також метод двійкового пакетного згорткового кодування PBCC (Packet Binary Convolutional Coding). У числі переваг 802.11g треба відзначити низьку споживану потужність, більшу дальність дії й високу проникаючу здатність сигналу. Можна сподіватися й на розумну вартість обладнання, оскільки низькочастотні пристрої простіші у виготовленні.

IEEE802.11i — стандарт, що знімає недоліки в області безпеки попередніх стандартів. 802.11i вирішує проблеми захисту даних канального рівня і дозволяє створювати безпечні бездротові мережі практично будь-якого масштабу.

IEEE802.11е (QoS, Quality of service) — додатковий стандарт, що дозволяє забезпечити гарантовану якість обміну даними шляхом перестановки пріоритетів різних пакетів; необхідний для роботи таких потокових сервісів як VoIP або IP-TV.

IEEE802.11n — стандарт бездротових локальних мереж останнього покоління, заснований на бездротовій передачі даних в діапазоні 2,4 ГГц. Стандарт 802.11n значно перевищує за швидкістю обміну даними попередні стандарти 802.11b і 802.11g, забезпечуючи швидкість на рівні Fast Ethernet; зворотньо сумісний з 802.11b і 802.11g. Основна відмінність від попередніх версій Wi-Fi — додавання до фізичного рівня (PHY) підтримки протоколу MIMO (multiple-input multiple-output).

Таблиця 1.1 – Порівняння основних характеристик стандартів IEEE 802.11а, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n[2].

2. ОПИС ЕФІРНОГО ІНТЕРФЕЙСУ СТАНДАРТУ Wi-Fi

Стандарт IEEE 802.11 визначає порядок організації бездротових мереж на рівні управління доступом до середовища (MAC- Medium Access Control) і фізичному (PHY – Physical Transport protocol) рівні. Фізичний рівень поділяється на два таких підрівня:

- PLCP (Physical Layer Convergence Protocol – конвергентний протокол фізичного рівня);

- PMD (Physical Medium Dependent – залежний від фізичного носія). На рисунку 2.1 показана протокольна архітектура стандарту 802.11 [4].

Основними задачами керування рівнем PHY є настройка каналів.

2.1 МАС-рівень стандартів IEEE 802.11b та 802.11g

Стандарти IEEE 802.11b та 802.11g визначають один тип протоколу доступу до середовища MAC-рівня і три різних протоколи для фізичних (PHY) каналів.

Кожен з фізичних рівнів (PHY layer) має свої переваги, що дозволяє користувачам обирати оптимальну для свого випадку реалізацію безпроводової мережі у межах стандарту. Недоліком наявності різних фізичних рівнів в IEEE 802.11 є те, що користувачі повинні додатково погоджувати тип і швидкість своїх мережних засобів, щоб досягти сумісності.

Стандарт IEEE 802.11 передбачає передачу сигналу одним з двох методів - прямої послідовності (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) і частотних стрибків (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS), які розрізняються способом модуляції, але використовують одну і ту ж технологію розширення спектру. Основний принцип технології розширення спектру (Spread Spectrum, SS) полягає в тому, щоб від вузькосмугового спектру сигналу, що виникає при звичайному потенційному кодуванні, перейти до широкосмугового спектру, що дозволяє значно підвищити завадостійкість переданих даних.

Метод FHSS передбачає зміну несучої частоти сигналу при передачі інформації. Для підвищення завадостійкості потрібно збільшити спектр переданого сигналу, для чого несуча частота міняється по псевдовипадковому закону, і кожен пакет даних передається на своїй несучій частоті. При використанні FHSS конструкція приймача виходить дуже простою, але цей метод застосовний тільки якщо пропускна спроможність не перевищує 2 Мбіт/с, так що в доповненні IEEE 802.11b залишився один DSSS. З цього виходить, що спільно з пристроями IEEE 802.11b може застосовуватися тільки те устаткування стандарту IEEE 802.11, яке підтримує DSSS, при цьому швидкість передачі не перевищить максимальної швидкості в "вузькому місці" (2 Мбіт/с)[5].

В основі методу DSSS лежить принцип фазової маніпуляції (тобто передачі інформації стрибкоподібною зміною початкової фази сигналу). Для розширення спектру переданого сигналу застосовується перетворення переданої інформації в так званий код Баркера, що є псевдовипадковою послідовністю. При передачі інформації цим методом у мережі IEEE 802.11 розширення досягається за допомогою послідовності (+1, -1, -1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1), що називається кодом Баркера. На кожен переданий біт виділяється 11 біт в послідовності Баркера. Розрізняють пряму і інверсну послідовності Баркера. Одиничні біти передаються прямим кодом Баркера, а нульові - інверсним. Найголовнішою особливістю даного методу є стійкість до завад і нечутливість до багатопроменевого розповсюдження [5].

Під бездротові комп'ютерні мережі в діапазоні 2,4 ГГц відведений досить вузький "коридор" шириною 83 МГц, розділений на 14 каналів. Для виключення взаємних перешкод між каналами необхідно, щоб їх смуги стояли один від одного на 25 МГц. Нескладний підрахунок показує, що в одній зоні одночасно можуть використовуватися тільки три канали. У таких умовах неможливо вирішити проблему відбудови від перешкод автоматичною зміною частоти, от чому в бездротових локальних мережах використовується кодування з високою надмірністю. При ситуації, коли і цей метод не дозволяє забезпечити задану достовірність передачі, швидкість з максимального значення 11 Мбіт/с послідовно знижується до одного з наступних фіксованих значень: 5,5; 2; 1 Мбіт/с. Зниження швидкості відбувається не тільки при високому рівні перешкод, але і якщо відстань між елементами бездротової мережі достатньо велика.

Таблиця 2.1 - Порівняння методів DSSS и FHSS [6]

На МАС-рівні визначаються базові складові архітектури мережі і перелік послуг, що надаються цим рівнем. Він специфікує „правила доступу” до середовища і складається з декількох функціональних блоків. Вони складаються з механізмів для конкурентного (contention) і вільного від конкуренції (contention-free) доступу на різних фізичних середовищах. Функції, що виконуються у рамках МАС, не залежать від швидкості передачі даних або фізичних характеристик середовища передачі даних.

МАС є варіантом CSMA (carrіer sense multіple access – стандарт, що використовує єдине середовище передачі) множинного доступу з виявленням несучої і відомий під назвою – розподілена функція координації (DCF, dіstrіbuted coordіnatіon functіon). Стандартом запропоновано дві версії DCF: - основний доступ (basіc access), що базується на двосторонній процедурі встановлення зв'язку;

- доступ RTS/CTS (request-to-send/clear-to-send), що базується на чотирьохканальній процедурі встановлення зв'язку (рис. 1). При чому, ймовірність конфліктів для безпроводових вузлів мінімізується шляхом попередньої відправки всім вузлам короткого повідомлення (request to send, RTS) про адресат і тривалість передачі, що має відбутися. Вузли затримують передачу на час, рівний оголошеній тривалості повідомлення. Приймальна станція відповідає на RTS посилкою (CTS – clear to send), по якій передавальний вузол взнає, чи вільне середовище і чи готовий вузол до приймання. Після приймання пакету даних вузол передає підтвердження (АСК) безпомилкового приймання. Якщо АСК не отримано, пакет даних буде переданий повторно [8].

В обох випадках тільки перший пакет повинен боротися за середовище. Доступ станцій до середовища ґрунтується на двох періодах часу (часових інтервалах): перший – DІFS (DCF іnterframe space), тобто DCF міжкадровий інтервал, другий – SІFS (short іnterframe space), тобто короткий міжкадровий інтервал. DІFS – міжкадровий інтервал, що використовується, як мінімальна затримка для асинхрон-них кадрів, які змагаються за доступ. SІFS – мінімальний міжкадровий інтервал, що використовується для усіх негайних відповідей у каналі. Причому, SІFS< DІFS.