Беспроводные сети стандарта 802.11

введение

На протяжении многих десятилетий  проводные и беспроводные виды связи  занимали, как это принято сейчас говорить, разные ниши. Проводная связь  подразумевала надежность и высокую  пропускную способность. Беспроводная связь использовалась для передачи информации там, где провод проложить  трудно или просто невозможно, а  также там, где нужна свобода  передвижения. Cовершенно естественно, что первые беспроводные компьютерные сети воспринимались всего лишь как  средство, позволяющее сотрудникам  передвигаться по офису с ноутбуками, а не быть привязанными к своим  местам. Если же в офисе использовались только настольные компьютеры, а все  сотрудники работали исключительно  за своими рабочими столами, то считалось, что нужно прокладывать проводную  компьютерную сеть. Использование беспроводного  решения было проблематично в  силу высокой стоимости оборудования, а также относительно низкой надежности и пропускной способности. Но времена  меняются, и сейчас на рынке появилось  новое поколение оборудования для  организации беспроводных локальных  сетей. Когда необходимо обеспечить свободу передвижения пользователей  по офису, его достоинства по сравнению  с традиционной проводной инфраструктурой  очевидны.

Радиочастоты являются природным  ресурсом, и поэтому их использование  жестко контролируется государством во всех странах мира. Однако наряду с  частотными диапазонами, отведенными  для радиовещания, служебной связи  и прочих применений, требующих обязательного  лицензирования, существует несколько  диапазонов, которые могут эксплуатироваться  всеми желающими при соблюдении ограничений на мощность передатчика. Кроме того, в этих диапазонах могут  генерировать сигналы устройства, физические принципы работы которых неразрывно связаны с излучением радиоволн, например микроволновые печи и некоторые  медицинские приборы. Одним из таких  диапазонов является 2,4 ГГц, его и было решено использовать в беспроводных компьютерных сетях. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Базовый стандарт 802.11

Основные сведения

Радиочастоты являются природным  ресурсом, и поэтому их использование  жестко контролируется государством во всех странах мира. Однако наряду с  частотными диапазонами, отведенными  для радиовещания, служебной связи  и прочих применений, требующих обязательного  лицензирования, существует несколько  диапазонов, которые могут эксплуатироваться  всеми желающими при соблюдении ограничений на мощность передатчика. Кроме того, в этих диапазонах могут  генерировать сигналы устройства, физические принципы работы которых неразрывно связаны с излучением радиоволн, например микроволновые печи и некоторые  медицинские приборы. Одним из таких  диапазонов является 2,4 ГГц, его и  было решено использовать в беспроводных компьютерных сетях. Кроме того, существуют беспроводные сети, работающие в инфракрасном диапазоне. Первый международный стандарт на беспроводные сети Wireless LAN в диапазоне 2,4 ГГц, а также в инфракрасном диапазоне получил название IEEE 802.11.

   Он разрабатывался очень долго, с 1990 по 1997 г. Это привело к тому, что к моменту принятия он уже устарел. Изначально в нем были заложены скорости передачи информации 1 и 2 Мбит/с, что по меркам 1990 г. было очень много. Однако в 1997 г. 2 Мбит/с уже не соответствовали ожиданиям пользователей. Поэтому в 1999 г. было принято расширение стандарта IEEE 802.11, получившее название IEEE 802.11b (иногда оно также называется IEEE 802.11 High rate). В данном расширении описываются сети, работающие на скоростях 5,5 и 11 Mбит/с. В том же году была создана независимая организация WECA - Wireless Ethernet Compatibility Alliance, которая стала выступать в качестве гаранта совместимости оборудования для беспроводных компьютерных сетей от разных производителей. В настоящее время членами WECA являются более 80 компаний, в том числе Cisco, Lucent, 3Com, IBM, Intel и ряд других известных производителей сетевого оборудования. В терминологии WECA соответствие оборудования требованиям IEEE 802.11b обозначается как Wi-Fi (Wireless Fidelity - дословно переводится на русский язык как "беспроводная точность").  
 
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.

Технические подробности

Стандарты Radio Ethernet предусматривают организацию  беспроводной связи на ограниченной территории с предоставлением нескольким абонентам равноправного доступа  к общему радиоканалу. Канал может  быть реализован либо на базе передачи сигнала в инфракрасном спектре, либо путем формирования широкополосного  радиосигнала с использованием прямого  расширения спектра (DSSS) или скачкообразной перестройки частоты (FHSS). Оборудование, использующее инфракрасное излучение, может применяться только в условиях прямой видимости, а характеристики этих устройств весьма сильно зависят  от погодных условий. Поэтому данный вариант применим в основном для  установки связи внутри помещений. Две другие технологии, DSSS и FHSS, ориентированы  на работу в двух диапазонах - 915 МГц  и 2,4 ГГц. Известно, насколько загружен диапазон 900 МГц другими средствами связи, а потому устройства, рассчитанные на применение в этом диапазоне, рекомендовано  устанавливать внутри помещений. Оборудование же, работающее в области частот 2,4 ГГц, можно применять как внутри, так и вне зданий. Здесь уместно  заметить, что применение частотного диапазона 2,4 ГГц для беспроводных систем в России требует получения разрешения Госсвязьнадзора.

Каждый  из двух определенных стандартом Radio Ethernet методов широкополосной передачи имеет  свои сильные и слабые стороны. Метод DSSS позволяет достичь большей  по сравнению с FHSS пропускной способности (2 Мбит/с на один канал и 6 Мбит/с - на три), обеспечивает более высокую  устойчивость к узкополосным помехам  и большую дальность связи. Однако технология DSSS требует более сложного и дорогого оборудования, чем FHSS. Поэтому  нет ничего удивительного в том, что FHSS-устройства (более простые  и дешевые) выпускают гораздо  больше компаний. Еще одно достоинство FHSS-устройств (в отличие от DSSS) - способность  сохранять работоспособность в  условиях широкополосных помех. Правда, часто они сами создают помехи обычным узкополосным устройствам, но это помехи с низкой спектральной плотностью. Radio Ethernet, как и обычный  кабельный стандарт Ethernet, использует "коллизионный" метод доступа  к общему каналу, однако в нем  предусмотрена фаза предварительного резервирования канала, коллизии допустимы  только при резервировании, а собственно передача происходит без коллизий. Основной механизм доступа к среде  для Radio Ethernet - многостанционный доступ с обнаружением несущей и предотвращением  конфликтов (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA).

Базовый стандарт 802.11 определяет основные протоколы  организации WLAN, в частности, для  управления доступом к среде MAC (Medium Access Control) и для передачи сигналов в физической среде (протокол PHY - Physical layer protocol). Он ориентирован на работу в  диапазоне частот 2,4 ГГц.

802.11 спецификации обеспечивают управление  доступом на единственном подуровне  MAC, который взаимодействует с  тремя типами протоколов физического  уровня, соответствующим трем технологиям  передачи сигналов (инфракрасное  излучение, с помощью прямого  расширения спектра и с использованием  скачкообразной перестройки частоты). Передача данных возможна на  скоростях 1 и 2 Мбит/с.

В стандарте 802.11 определена сотовая архитектура  системы. Каждая сота управляется базовой  станцией, называемой точкой доступа (Access Point, AP), которая обслуживает рабочие  станции пользователей в пределах своего радиуса действия, образуя  базовую зону обслуживания (Basic Service Set, BSS). Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой  через распределительную систему (Distribution System, DS). Инфраструктура, включающая AP и DS, образует расширенную зону обслуживания (Extended Service Set, ESS). Стандарт предусматривает  построение односотовой сети даже без  точки доступа, отдельные функции  которой выполняются в этом случае рабочими станциями. Допускаются любые  варианты топологии сети: точка - точка, звезда, точка - много точек, каждый с каждым.

Мобильность рабочих станций достигается  за счет использования специальных  процедур сканирования радиоканала  и присоединения абонентов. Тем  не менее, в стандарте 802.11 не определены спецификации для реализации роуминга.

Стандарт 802.11 предусматривает защиту информации в беспроводной сети с помощью  мер, которые обеспечивают безопасность "на уровне, характерном для проводных  сетей" (Wired Equivalent Privacy, WEP). Эти меры включают механизмы и процедуры  аутентификации и шифрования.

 

Физический уровень

Как известно, радиоволны приобретают способность  переносить информацию в том случае, если они определённым образом модулируются. Необходимо также, чтобы модуляция  синусоидального несущего сигнала  соответствовала требуемой последовательности информационных битов. Существует три  основных типа модуляции: амплитудная, частотная и фазовая. В стандарте IEEE 802.11 для передачи сигналов используют различные виды фазовой модуляции.

Различают два вида фазовой модуляции: собственно фазовую и относительную фазовую  модуляцию. При фазовой модуляции (Phase Shift Key, PSK) для передачи логических нулей и единиц используют сигналы  одной и той же частоты и  амплитуды, но смещённые относительно друг друга по фазе.

Если изменение фазы может принимать  всего два значения, то говорят  о двоичной фазовой модуляции (Binary Phase Shift Key, BPSK). Изменение фазы может  иметь и более двух значений. В этом случае говорят о так называемой квадратурной фазовой модуляции 

На  физическом уровне определены два широкополосных радиочастотных метода передачи и один – в инфракрасном диапазоне. Радиочастотные методы стандарта 802.11 b работают в диапазоне 2,4 ГГц и обычно используют полосу 83 МГц от 2,400 ГГц до 2,483 ГГц. Технологии широкополосного сигнала, используемые в радиочастотных методах, увеличивают  надёжность, пропускную способность, позволяют  многим несвязанным друг с другом устройствам разделять одну полосу частот с минимальными помехами друг для друга.

Стандарт 802.11 использует метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) и метод частотных  скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Эти  методы кардинально отличаются, и  несовместимы друг с другом.

FHSS и DSSS методы

Из двух методов передачи каждый имеет свои сильные и слабые стороны. Метод DSSS позволяет достигать  значительно большей производительности (2 Мб/с на один канал, 6 Мб/с на весь диапазон 2,4 ГГц), а кроме того, обеспечивают большую устойчивость к узкополосным помехам (поскольку выбором поддиапазона для передачи часто удается отстроиться  от помех) и большую дальность  связи. Оборудование DSSS несколько сложнее  и дороже FHSS. Продукция для FHSS выпускается  значительно большим количеством  компаний, она проще и дешевле, однако и пропускная способность  ее ниже. Еще одно достоинство FHSS-устройств  состоит в том, что они, в отличие  от DSSS, могут сохранять работоспособность  в условиях широкополосных помех, - например, создаваемых DSSS-передатчиками, но это оборачивается тем, что  сами они мешают обычным узкополосным устройствам.

Канальный (Data Link) уровень 802.11

Канальный уровень 802.11 состоит  из двух подуровней: управления логической связью (Logical Link Control, LLC) и управления доступом к носителю (Media Access Control, MAC). 802.11 использует тот же LLC и 48-битовую  адресацию, что и другие сети 802, что  позволяет легко объединять беспроводные и проводные сети, однако MAC уровень  имеет кардинальные отличия.

MAC уровень 802.11 очень похож  на 802.3, где он поддерживает множество  пользователей на общем носителе, когда пользователь проверяет  носитель перед доступом к  нему. Для Ethernet сетей 802.3 используется  протокол Carrier Sence Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD), который определяет, как станции  Ethernet получают доступ к проводной  линии, и как они обнаруживают  и обрабатывают коллизии, возникающие  в том случае, если несколько  устройств пытаются одновременно  установить связь по сети. Чтобы  обнаружить коллизию, станция должна  обладать способностью и принимать,  и передавать одновременно. Стандарт 802.11 предусматривает использование  полудуплексных приёмопередатчиков, поэтому в беспроводных сетях  802.11 станция не может обнаружить  коллизию во время передачи.

Чтобы учесть это отличие, 802.11 использует модифицированный протокол, известный как Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), или Distributed Coordination Function (DCF). CSMA/CA пытается избежать коллизий путём  использования явного подтверждения  пакета (ACK), что означает, что принимающая  станция посылает ACK пакет для  подтверждения того, что пакет  получен неповреждённым.

CSMA/CA работает следующим  образом. Станция, желающая передавать, тестирует канал, и если не  обнаружено активности, станция  ожидает в течение некоторого  случайного промежутка времени,  а затем передаёт, если среда  передачи данных всё ещё свободна. Если пакет приходит целым, принимающая станция посылает пакет ACK, по приёме которого отправителем завершается процесс передачи. Если передающая станция не получила пакет ACK, в силу того, что не был получен пакет данных, или пришёл повреждённый ACK, делается предположение, что произошла коллизия, и пакет данных передаётся снова через случайный промежуток времени.

Для определения того, является ли канал свободным, используется алгоритм оценки чистоты канала (Channel Clearance Algorithm, CCA). Его суть заключается в измерении  энергии сигнала на антенне и  определения мощности принятого  сигнала (RSSI). Если мощность принятого  сигнала ниже определённого порога, то канал объявляется свободным, и MAC уровень получает статус CTS. Если мощность выше порогового значения, передача данных задерживается в соответствии с правилами протокола. Стандарт предоставляет ещё одну возможность  определения незанятости канала, которая может использоваться либо отдельно, либо вместе с измерением RSSI – метод проверки несущей. Этот метод является более выборочным, так как с его помощью производится проверка на тот же тип несущей, что  и по спецификации 802.11. Наилучший  метод для использования зависит  от того, каков уровень помех в  рабочей области.