- Беспроводные локальные сети на основе Wi-Fi

· Лекция 32. Беспроводные локальные сети на основе Wi-Fi - технологии.

Введение.

Во всем мире стремительно растет потребность в беспроводных соединениях, особенно в сфере бизнеса. Пользователи с беспроводным доступом к информации — всегда и везде могут работать гораздо более производительно и эффективно, чем их коллеги, привязанные к проводным телефонным и компьютерным сетям.

Обычно беспроводные сетевые технологии группируются в три типа, различающиеся по масштабу действия их радиосистем, но все они с успехом применяются в бизнесе.

PAN (персональные сети) — короткодействующие, радиусом до 10 м сети, которые связывают ПК и другие устройства — КПК, мобильные телефоны, принтеры и т. п. С помощью таких сетей реализуется простая синхронизация данных, устраняются проблемы с обилием кабелей в офисах, реализуется простой обмен информацией в небольших рабочих группах. Наиболее перспективный стандарт для PAN — это Bluetooth.

WLAN (беспроводные локальные сети) — радиус действия до 100 м. С их помощью реализуется беспроводной доступ к групповым ресурсам в здании, университетском кампусе и т. п. Обычно такие сети используются для продолжения проводных корпоративных локальных сетей. В небольших компаниях WLAN могут полностью заменить проводные соединения. Основной стандарт для WLAN — 802.11.

WWAN (беспроводные сети широкого действия) — беспроводная связь, которая обеспечивает мобильным пользователям доступ к их корпоративным сетям и Интернету. Пока здесь нет доминирующего стандарта, но наиболее активно внедряется технология GPRS — быстрее всего в Европе и с некоторым отставанием в США.

На современном этапе развития сетевых технологий, технология беспроводных сетей Wi-Fi является наиболее удобной в условиях требующих мобильность, простоту установки и использования. Wi-Fi (от англ. wireless fidelity - беспроводная связь) - стандарт широкополосной беспроводной связи семейства 802.11 разработанный в 1997г. Как правило, технология Wi-Fi используется для организации беспроводных локальных компьютерных сетей, а также создания так называемых горячих точек высокоскоростного доступа в Интернет.

Беспроводные ЛВС — самый динамичный сектор коммуникационных технологий.

Рекомендуемые материалы

Архитектура, компоненты сети и стандарты

Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 - это стандарт организации беспроводных коммуникаций на ограниченной территории в режиме локальной сети, т.е. когда несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему каналу передач.                   802.11 - первый промышленный стандарт для беспроводных локальных сетей (Wireless Local Area Networks ), или WLAN. Стандарт был разработан Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 802.11 может быть сравнен со стандартом 802.3 для обычных проводных Ethernet сетей.

Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 определяет порядок организации беспроводных сетей на уровне управления доступом к среде (MAC-уровне) и физическом (PHY) уровне. В стандарте определен один вариант MAC (Medium Access Control) уровня и три типа физических каналов.

Подобно проводному Ethernet, IEEE 802.11 определяет протокол использования единой среды передачи, получивший название carrier sense multiple access collision avoidance (CSMA/CA). Вероятность коллизий беспроводных узлов минимизируется путем предварительной посылки короткого сообщения, называемого ready to send (RTS), оно информирует другие узлы о продолжительности предстоящей передачи и адресате. Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция должна ответить на RTS посылкой clear to send (CTS). Это позволяет передающему узлу узнать, свободна ли среда и готов ли приемный узел к приему. После получения пакета данных приемный узел должен передать подтверждение (ACK) факта безошибочного приема. Если ACK не получено, попытка передачи пакета данных будет повторена.

В стандарте предусмотрено обеспечение безопасности данных, которое включает аутентификацию для проверки того, что узел, входящий в сеть, авторизован в ней, а также шифрование для защиты от подслушивания.

На физическом уровне стандарт предусматривает два типа радиоканалов и один инфракрасного диапазона.

В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура. Сеть может состоять из одной или нескольких ячеек (сот). Каждая сота управляется базовой станцией, называемой точкой доступа (Access Point, AP). Точка доступа и находящиеся в пределах радиуса ее действия рабочие станции образуют базовую зону обслуживания (Basic Service Set, BSS). Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему (Distribution System, DS), представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛС. Вся инфраструктура, включающая точки доступа и распределительную систему, образует расширенную зону обслуживания (Extended Service Set). Стандартом предусмотрен также односотовый вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее функций выполняется непосредственно рабочими станциями.

В настоящее время существует множество стандартов семейства IEEE 802.11:

1. 802.11 - первоначальный основополагающий стандарт. Поддерживает передачу данных по радиоканалу со скоростями 1 и 2 (опционально) Мбит/с.
2. 802.11a - высокоскоростной стандарт WLAN. Поддерживает передачу данных со скоростями до 54 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 5 ГГц.
3. 802.11b - самый распространенный стандарт. Поддерживает передачу данных со скоростями до 11 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 2,4 ГГц.
4. 802.11c - Стандарт, регламентирующий работу беспроводных мостов. Данная спецификация используется производителями беспроводных устройств при разработке точек доступа.
5. 802.11d - Стандарт определял требования к физическим параметрам каналов (мощность излучения и диапазоны частот) и устройств беспроводных сетей с целью обеспечения их соответствия законодательным нормам различных стран.
6. 802.11e - Создание данного стандарта связано с использованием средств мультимедиа. Он определяет механизм назначения приоритетов разным видам трафика - таким, как аудио- и видеоприложения. Требование качества запроса, необходимое для всех радио интерфейсов IEEE WLAN.
7. 802.11f - Данный стандарт, связанный с аутентификацией, определяет механизм взаимодействия точек связи между собой при перемещении клиента между сегментами сети. Другое название стандарта - Inter Access Point Protocol. Стандарт, описывающий порядок связи между равнозначными точками доступа.
8. 802.11g - устанавливает дополнительную технику модуляции для частоты 2,4 ГГц. Предназначен, для обеспечения скоростей передачи данных до 54 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 2,4 ГГц.
9. 802.11h – Разработка данного стандарта связана с проблемами при использовании 802.11а в Европе, где в диапазоне 5 ГГц работают некоторые системы спутниковой связи. Для предотвращения взаимных помех стандарт 802.11h имеет механизм "квазиинтеллектуального" управления мощностью излучения и выбором несущей частоты передачи. Стандарт, описывающий управление спектром частоты 5 ГГц для использования в Европе и Азии.
10. 802.11i (WPA2) – Целью создания данной спецификации является повышение уровня безопасности беспроводных сетей. В ней реализован набор защитных функций при обмене информацией через беспроводные сети - в частности, технология AES (Advanced Encryption Standard) - алгоритм шифрования, поддерживающий ключи длиной 128, 192 и 256 бит. Предусматривается совместимость всех используемых в данное время устройств - в частности, Intel Centrino - с 802.11i-сетями. Затрагивает протоколы 802.1X, TKIP и AES.
11. 802.11j - Спецификация предназначена для Японии и расширяет стандарт 802.11а добавочным каналом 4,9 ГГц.
12.  802.11n - Перспективный стандарт, находящийся на сегодняшний день в разработке, который позволит поднять пропускную способность сетей до 100 Мбит/сек.
13.  802.11r - Данный стандарт предусматривает создание универсальной и совместимой системы роуминга для возможности перехода пользователя из зоны действия одной сети в зону действия другой.

Из всех существующих стандартов беспроводной передачи данных IEEE 802.11, на практике наиболее часто используются всего три, определенных Инженерным институтом электротехники и радиоэлектроники (IEEE), это: 802.11b, 802.11g и 802.11a.

Сравнение стандартов беспроводной передачи данных:

802.11b. В окончательной редакции широко распространенный стандарт 802.11b был принят в 1999 г. и благодаря ориентации на свободный от лицензирования диапазон 2,4 ГГц завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования. Пропускная способность (теоретическая 11 Мбит/с, реальная — от 1 до 6 Мбит/с) отвечает требованиям большинства приложений. Поскольку оборудование 802.11b, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с, имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала.

К началу 2004 года в эксплуатации находилось около 15 млн. радиоустройств 802.11b.

В конце 2001-го появился - стандарт беспроводных локальных сетей 802.11a, функционирующих в частотном диапазоне 5 ГГц (диапазон ISM). Беспроводные ЛВС стандарта IEEE 802.11a обеспечивают скорость передачи данных до 54 Мбит/с, т. е. примерно в пять раз быстрее сетей 802.11b, и позволяют передавать большие объемы данных, чем сети IEEE 802.11b.

К недостаткам 802.11а относятся большая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а также меньший радиус действия (оборудование для 2,4 ГГц может работать на расстоянии до 300 м, а для 5 ГГц — около 100 м). Кроме того, устройства для 802.11а дороже, но со временем ценовой разрыв между продуктами 802.11b и 802.11a будет уменьшаться.

802.11g является новым стандартом, регламентирующим метод построения WLAN, функционирующих в нелицензируемом частотном диапазоне 2,4 ГГц. Максимальная скорость передачи данных в беспроводных сетях IEEE 802.11g составляет 54 Мбит/с. Стандарт 802.11g представляет собой развитие 802.11b и обратно совместим с 802.11b. Соответственно ноутбук с картой 802.11g сможет подключаться и к уже действующим точкам доступа 802.11b, и ко вновь создаваемым 802.11g. Теоретически 802.11g обладает достоинствами двух своих предшественников. В числе преимуществ 802.11g надо отметить низкую потребляемую мощность, большую дальность действия и высокую проникающую способность сигнала. Можно надеяться и на разумную стоимость оборудования, поскольку низкочастотные устройства проще в изготовлении.

Организация сети

Стандарт IEEE 802.11 работает на двух нижних уровнях модели ISO/OSI: физическом и канальном. Другими словами, использовать оборудование Wi-Fi так же просто, как и Ethernet: протокол TCP/IP накладывается поверх протокола, описывающего передачу информации по каналу связи. Расширение IEEE 802.11b не затрагивает канальный уровень и вносит изменения в IEEE 802.11 только на физическом уровне.

В беспроводной локальной сети есть два типа оборудования: клиент (обычно это компьютер, укомплектованный беспроводной сетевой картой, но может быть и иное устройство) и точка доступа, которая выполняет роль моста между беспроводной и проводной сетями. Точка доступа содержит приемопередатчик, интерфейс проводной сети, а также встроенный микрокомпьютер и программное обеспечение для обработки данных.

Физический уровень IEEE 802.11

Стандарт IEEE 802.11 предусматривает передачу сигнала одним из двух методов - прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) и частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) различающиеся способом модуляции, но использующие одну и ту же технологию расширения спектра. Основной принцип технологии расширения спектра (Spread Spectrum, SS) заключается в том, чтобы от узкополосного спектра сигнала, возникающего при обычном потенциальном кодировании, перейти к широкополосному спектру, что позволяет значительно повысить помехоустойчивость передаваемых данных.

Метод FHSS предусматривает изменение несущей частоты сигнала при передаче информации. Для повышения помехоустойчивости нужно увеличить спектр передаваемого сигнала, для чего несущая частота меняется по псевдослучайному закону, и каждый пакет данных передается на своей несущей частоте. При использовании FHSS конструкция приемопередатчика получается очень простой, но этот метод применим, только если пропускная способность не превышает 2 Мбит/с, так что в дополнении IEEE 802.11b остался один DSSS. Из этого следует, что совместно с устройствами IEEE 802.11b может применяться только то оборудование стандарта IEEE 802.11, которое поддерживает DSSS, при этом скорость передачи не превысит максимальной скорости в "узком месте" (2 Мбит/с), коим является оборудование, использующее старый стандарт без расширения.

В основе метода DSSS лежит принцип фазовой манипуляции (т.е. передачи информации скачкообразным изменением начальной фазы сигнала). Для расширения спектра передаваемого сигнала применяется преобразование передаваемой информации в так называемый код Баркера, являющийся псевдослучайной последовательностью. На каждый передаваемый бит приходится 11 бит в последовательности Баркера. Различают прямую и инверсную последовательности Баркера. Из-за большой избыточности при кодировании вероятность того, что действие помехи превратит прямую последовательность Баркера в инверсную, близка к нулю. Единичные биты передаются прямым кодом Баркера, а нулевые - инверсным.

Под беспроводные компьютерные сети в диапазоне 2,4 ГГц отведен довольно узкий "коридор" шириной 83 МГц, разделенный на 14 каналов. Для исключения взаимных помех между каналами необходимо, чтобы их полосы отстояли друг от друга на 25 МГц. Несложный подсчет показывает, что в одной зоне одновременно могут использоваться только три канала. В таких условиях невозможно решить проблему отстройки от помех автоматическим изменением частоты, вот почему в беспроводных локальных сетях используется кодирование с высокой избыточностью. В ситуации, когда и эта мера не позволяет обеспечить заданную достоверность передачи, скорость с максимального значения 11 Мбит/с последовательно снижается до одного из следующих фиксированных значений: 5,5; 2; 1 Мбит/с. Снижение скорости происходит не только при высоком уровне помех, но и если расстояние между элементами беспроводной сети достаточно велико.

Канальный уровень IEEE 802.11

Подобно проводной сети Ethernet, в беспроводных компьютерных сетях Wi-Fi канальный уровень включает в себя подуровни управления логическим соединением (Logical Link Control, LLC) и управления доступом к среде передачи (Media Access Control, MAC). У Ethernet и IEEE 802.11 один и тот же LLC, что значительно упрощает объединение проводных и беспроводных сетей. MAC у обоих стандартов имеет много общего, однако есть некоторые тонкие различия, принципиальные для сравнения проводных и беспроводных сетей.

В Ethernet для обеспечения возможности множественного доступа к общей среде передачи (в данном случае кабелю) используется протокол CSMA/CD, обеспечивающий выявление и обработку коллизий (в терминологии компьютерных сетей так называются ситуации, когда несколько устройств пытаются начать передачу одновременно).

В сетях IEEE 802.11 используется полудуплексный режим передачи, т.е. в каждый момент времени станция может либо принимать, либо передавать информацию, поэтому обнаружить коллизию в процессе передачи невозможно. Для IEEE 802.11 был разработан модифицированный вариант протокола CSMA/CD, получивший название CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Работает он следующим образом. Станция, которая собирается передавать информацию, сначала "слушает эфир". Если не обнаружено активности на рабочей частоте, станция сначала ожидает в течение некоторого случайного промежутка времени, потом снова "слушает эфир" и, если среда передачи данных все еще свободна, осуществляет передачу. Наличие случайной задержки необходимо для того, чтобы сеть не зависла, если несколько станций одновременно захотят получить доступ к частоте. Если информационный пакет приходит без искажений, принимающая станция посылает обратно подтверждение. Целостность пакета проверяется методом контрольной суммы. Получив подтверждение, передающая станция считает процесс передачи данного информационного пакета завершенным. Если подтверждение не получено, станция считает, что произошла коллизия, и пакет передается снова через случайный промежуток времени.

Еще одна специфичная для беспроводных сетей проблема - две клиентские станции имеют плохую связь друг с другом, но при этом качество связи каждой из них с точкой доступа хорошее. В таком случае передающая клиентская станция может послать на точку доступа запрос на очистку эфира. Тогда по команде с точки доступа другие клиентские станции прекращают передачу на время "общения" двух точек с плохой связью. Режим принудительной очистки эфира (протокол Request to Send/Clear to Send - RTS/CTS) реализован далеко не во всех моделях оборудования IEEE 802.11 и, если он есть, то включается лишь в крайних случаях.

В Ethernet при передаче потоковых данных используется управление доступом к каналу связи, распределенное между всеми станциями. Напротив, в IEEE 802.11 в таких случаях применяется централизованное управление с точки доступа. Клиентские станции последовательно опрашиваются на предмет передачи потоковых данных. Если какая-нибудь из станций сообщает, что она будет передавать потоковые данные, точка доступа выделяет ей промежуток времени, в который из всех станций сети будет передавать только она.

Следует отметить, что принудительная очистка эфира снижает эффективность работы беспроводной сети, поскольку связана с передачей дополнительной служебной информации и кратковременными перерывами связи. Кроме этого, в проводных сетях Ethernet при необходимости можно реализовать не только полудуплексный, но и дуплексный вариант передачи, когда коллизия обнаруживается в процессе передачи (это повышает реальную пропускную способность сети). Поэтому, увы, при прочих равных условиях реальная пропускная способность беспроводной сети IEEE 802.11b будет ниже, чем у проводного Ethernet. Таким образом, если сетям Ethernet 10 Мбит/с и IEEE 802.11b (максимальная скорость передачи информации 11 Мбит/с) с одинаковым числом пользователей давать одинаковую нагрузку, постепенно увеличивая ее, то, начиная с некоторого порога, сеть IEEE 802.11b начнет "тормозить", а Ethernet все еще будет функционировать нормально.

Поскольку клиентские станции могут быть мобильными устройствами с автономным питанием, в стандарте IEEE 802.11 большое внимание уделено вопросам управления питанием. В частности, предусмотрен режим, когда клиентская станция через определенные промежутки времени "просыпается", чтобы принять сигнал включения, который, возможно, передает точка доступа. Если этот сигнал принят, клиентское устройство включается, в противном случае оно снова "засыпает" до следующего цикла приема информации.

Типы и разновидности соединений

1. Соединение Ad-Hoc (точка-точка).

Все компьютеры оснащены беспроводными картами (клиентами) и соединяются напрямую друг с другом по радиоканалу работающему по стандарту 802.11b и обеспечивающих скорость обмена 11 Mбит/с, чего вполне достаточно для нормальной работы.

2. Инфраструктурное соединение.

Все компьютеры оснащены беспроводными картами и подключаются к точке доступа. Которая, в свою очередь, имеет возможность подключения к проводной сети.

Данная модель используется когда необходимо соединить больше двух компьютеров. Сервер с точкой доступа может выполнять роль роутера и самостоятельно распределять интернет-канал.

3. Точка доступа, с использованием роутера и модема.

Точка доступа включается в роутер, роутер — в модем (эти устройства могут быть объединены в два или даже в одно). Теперь на каждом компьютере в зоне действия Wi-Fi , в котором есть адаптер Wi-Fi, будет работать интернет.

4. Клиентская точка.  

В этом режиме точка доступа работает как клиент и может соединятся с точкой доступа работающей в инфраструктурном режиме. Но к ней можно подключить только один МАС-адрес. Здесь задача состоит в том, чтобы объединить только два компьютера. Два Wi-Fi-адаптера могут работать друг с другом напрямую без центральных антенн.

5.  Соединение мост.

Компьютеры объединены в проводную сеть. К каждой группе сетей подключены точки доступа, которые соединяются друг с другом по радио каналу. Этот режим предназначен для объединения двух и более проводных сетей. Подключение беспроводных клиентов к точке доступа, работающей в режиме моста невозможно.

6. Репитер.

Точка доступа просто расширяет радиус действия другой точки доступа, работающей в инфраструктурном режиме.

Список использованной литературы:

1. http://esnet.ru/estelecom/resh.shtml?base=&news=9

2. http://www.ultra-net.ru/dostup.html

3. http://www.winzone.ru/articles/169/

Ещё посмотрите лекцию "6.7 Очерки" по этой теме.

4. http://www.winzone.ru/articles/304/

5. http://rmt.ru/articles64

6. http://www.dataexpress.ru/review/ccc/2/

7. http://www.intel.com/ru/update/contents/st08031.htm

8. http://www.thg.ru/network/20030828/print.html

9. http://www.thg.ru/network/20030828/802_11-04.html