Подключение через радиоканал

Один из беспроводных способов соединения. Передача данных посредством радиодоступа осуществляется по следующей схеме — у абонента и у провайдера устанавливается приемно-передающее радиооборудование со специальным радиомодемом. Посредством такого оборудования происходит запрос и пересылка Интернет-ресурсов.

Достоинства радиодоступа:

• — более доступный по цене установки оборудования;
• — мобильность в физическом перемещении принимающей стороны.

Недостатки радиодоступа:

• — дорогостоящее оборудование;
• — зависимость от метеорологических условий;
• — проблема прямой видимости базовой станции;
• — менее надежна чем выделенная линия;
• — достаточно высокая абонентская плата.

Большое достоинство распределенной архитектуры заключается в том, что для построения беспроводной локальной сети (WLAN) достаточно лишь установить точки доступа.

Бспроводные сети, существовавшие во второй половине 90-х годов и использовавшие диапазоны UHF и 900 МГц, опирались на «сетевой контроллер», который для покрытия необходимой зоны работал совместно с несколькими радиотрансиверами. Стандарт 802.11 значительно упростил архитектуру, объединив в одном устройстве функциональность сетевого контроллера и радиотрансиверов. Новая архитектура позволяла развернуть WLAN посредством простой установки точек доступа в свободный порт коммутатора и беспроводных адаптеров в клиентские ПК.

Централизованная архитектура WLAN (centralized WLAN switch architecture) требует для создания беспроводной сети два элемента. Границу сети по-прежнему формируют точки доступа, которые выполняют функцию моста между беспроводными и проводными сегментами Ethernet, а вся остальная функциональность может быть перенесена на второй элемент-беспроводной коммутатор. Сегодня каждый производитель WLAN-коммутаторов сам решает, каким образом распределить функции между этими двумя устройствами. Некоторые из них вкладывают все возможности в беспроводные коммутаторы, оставляя для точек доступа только функции моста, другие реализуют в последних управление доступом и шифрование.

Важная характеристика всякой централизованной архитектуры заключается в том, что весь трафик от ПК к беспроводной сети проходит через WLAN-коммутатор. Это позволяет ему осуществлять полное управление трафиком. Следует отметить, что централизованная архитектура трактует WLAN как некоторую надстройку над сетью Ethernet. WLAN-коммутатор предусматривает для беспроводного трафика выделенную сеть. Обычно такая сеть реализуется как VLAN, так что в ней могут применяться существующие технологии коммутации.

Подведем наконец итог в наших рассуждениях. Итак, если весь беспроводной трафик, кроме точек доступа, должен проходить еще через одно устройство, то такая архитектура называется централизованной, если же трафик от точек доступа проходит прямо в проводной сегмент Ethernet, то — распределенной.

Время отклика сети.

Одним из критериев производительности сети для корпоративных пользователей является время отклика. Их мало заботит пропускная способность сети ввиду отсутствия мультимедийного трафика, однако они не хотят долго ждать ответа от сервера приложений. Время, превышающее одну секунду, считается многими уже неприемлемым.

Наиболее эффективную маршрутизацию трафика обеспечивает распределенная архитектура. Пакет данных передается от клиента через точку доступа прямо коммутатору Ethernet. При централизованной архитектуре пакет по пути к проводному сегменту Ethernet должен пройти через беспроводной коммутатор. Таким образом, пакет на пути к адресату передается через цепочку дополнительных устройств, что может существенно увеличить время отклика. Согласно полученному на практике правилу, лучше не использовать топологию, при которой беспроводной клиент связан с беспроводным коммутатором магистральным каналом глобальной сети. Такая конфигурация также может увеличить латентность. Однако что за правило без исключений? Имеет смысл размещать беспроводной коммутатор на другом конце магистрали, если сервер приложений подключен к тому же каналу. В этом случае данные все равно должны будут передаваться по глобальной сети, так что не имеет значения, на каком конце канала располагается беспроводной коммутатор.

Управление сеть.

Сегодня, когда большинство наиболее актуальных проблем, связанных с безопасностью, успешно решаются, следующей границей, которую необходимо преодолеть производителям оборудования для WLAN, похоже, становится управление. Именно в этих вопросах поставщики беспроводных коммутаторов считают себя вне конкуренции. WLAN на базе беспроводных коммутаторов по определению обеспечивает централизованную точку, являющуюся идеальной платформой для сосредоточения всех управляющих функций. Для этого лишь необходимо добавить программное обеспечение для конфигурации точек доступа, мониторинга производительности, определения отказов, политики безопасности и других административных функций. Распределенная архитектура не столь приспособлена для централизованного управления. Здесь в сеть следует добавить отдельный управляющий компонент.

В то же время в самих архитектурах не содержится ничего такого, что бы делало одну из них органически более приспособленной для администрирования. В действительности все сводится к наличию соответствующего периферийного оборудования безотносительно к тому, работает ли оно непосредственно на беспроводном коммутаторе или как специфический компонент, добавленный в сеть. Следует также отметить, что централизованная архитектура плохо масштабируется, так как большинство беспроводных коммутаторов могут поддерживать довольно ограниченное количество точек доступа. В корпоративных сетях приходится разворачивать множество «беспроводных кластеров», при этом каждый из них группируется вокруг своего беспроводного коммутатора. Некоторые реализации допускают выделение одного из них в качестве «мастера», который может реплицировать конфигурационные установки и профили безопасности на другие беспроводные коммутаторы.

Пропускная способность.

Требования к пропускной способности сети зависят от использующихся приложений. Для сетей сбора данных в типичных случаях достаточно полосы пропускания от 10 Кбит/с до 20 Кьит/с на одну точку доступа. Ситуация несколько меняется для VoIP-приложений. Здесь основным параметром является латентность, но и полоса пропускания также играет важную роль.

Хотя скорость передачи данных определяется, как правило, радиокомпонентом, однако остальные устройства беспроводной сети должны быть способны ее поддержать. Это, в частности, означает, что точки доступа должны успевать обрабатывать поступающие пакеты. Кроме выполнения функций моста, от точки доступа может потребоваться фильтрация пакетов, обработка VLAN-тегов, шифрование и дешифрование. И проблема не в количестве передаваемых в секунду битов, а скорее в скорости обработки пакетов.

Значения пропускной способности беспроводных сетей обычно получают на основании копирования больших файлов. При этом длина пакетов оказывается максимальной, и эти цифры не отражают реальных возможностей системы по их обработке. Более высокую нагрузку дают тесты с длиной пакетов от 100 байт до 200 байт, что считается типичным в сетях по сбору данных. Однако реальные приложения по сбору данных обычно генерируют мало пакетов, и пропускная способность беспроводной сети не является для них критическим параметром.

В распределенной архитектуре вся обработка пакетов сосредоточена в точках доступа. Это дает возможность использовать в них встраиваемые микропроцессоры. Современные чипы легко справляются с подобными задачами. Недостатком таких решений являются трудности последующей модернизации, если будущие стандарты потребуют большей вычислительной мощности, чем могут предоставить установленные точки доступа.

Напротив, в сетях с централизованной архитектурой обработка пакетов переносится в беспроводные коммутаторы. Это снимает бремя с точки доступа, но взамен требует, чтобы коммутаторы были в состоянии обработать пакеты, приходящие от них. Такая задача намного сложнее, чем обработка пакетов от одного или двух источников. Теоретически подобная производительность может быть достигнута. Традиционные коммутаторы и маршрутизаторы способны обрабатывать миллионы пакетов в секунду. Но они строятся на специально спроектированных аппаратных средствах и ASIC, а также работают под управлением оптимизированных ОС.

Современные беспроводные коммутаторы в типичном случае изготавливаются на стандартных вычислительных платформах общего назначения и используют коммерческие неспециализированные ОС. В результате возможности беспроводных коммутаторов ограничивают количество подключаемых точек доступа, что в свою очередь определяет число требуемых коммутаторов. Однако намного легче выполнить модернизацию одного беспроводного коммутатора, чем 30−40 точек доступа. Некоторые производители обеспечивают масштабируемость беспроводных коммутаторов путем установки дополнительных модулей. Но даже если такая возможность не предусмотрена, то все равно легче заменить одно устройство, чем множество точек доступа.

И все же из большого количества факторов, которые следует принимать во внимание при разворачивании беспроводных сетей, архитектура не является основным. Главное, чтобы сеть выполняла необходимые функции, чтобы поставщик обеспечил требуемый уровень поддержки и чтобы устройства соответствовали заявленным характеристикам.

Беспроводные сети, хотя еще и не присутствуют повсеместно, распространяются с удивительной быстротой. На Западе уже несколько лет они находят свое применение в медицинских учреждениях, крупных магазинах розничной торговли и на складах. Когда появились новые высокоскоростные стандарты, крупные корпорации начали интенсивно разворачивать беспроводные сети для подсоединения служащих к своей информационной системе.

Серьезным стимулом к внедрению WLAN является и тот факт, что все больше ноутбуков оснащаются беспроводными сетевыми адаптерами, во многих случаях поддерживающими более одного стандарта. Кроме того, сфера использования беспроводных технологий постоянно расширяется. Сегодня она включает офисную периферию и мобильные устройства класса PDA. Беспроводными возможностями наделяются принтеры, сканеры, карманные компьютеры, так что пользователи могут проверить почту, синхронизировать данные и календарь, печатать «на лету», осуществлять на ходу доступ к Интернет. Производители сотовых телефонов и телефонных бизнес-систем планируют встроить беспроводные технологии семейства 802.11 в свои продукты с тем, чтобы снизить стоимость переговоров посредством передачи голоса поверх IP (VoIP). Так что сегодня практически во всех видах бизнеса, в медицине и образовании явно или неявно осуществляются инвестиции в беспроводные продукты. Поэтому выбор клиента с подходящей беспроводной технологией может не только значительно упростить разворачивание WLAN в будущем, но и сделать ее более продуктивной и безопасной.

Строго говоря, аббревиатура WLAN обозначает локальную (т. е. в пределах офиса) вычислительную сеть, в которой обмен данными осуществляется с помощью радиосигналов и описывается стандартом IEEE 802.11, являющимся расширением IEEE 802.3 для проводных локальных сетей.

Термин WLAN сегодня относится к любому из трех основных видов беспроводных сетей: 802.11a, 802.11b или 802.11g. Термин Wi-Fi (Wireless Fidelity) технически должен применяться только к продуктам WLAN 802.11a/b/g, которые индустриальная группа Wi-Fi Alliance сертифицировала как соответствующие вышеупомянутым стандартам и совместимые с WLAN-продуктами других производителей. Группа Wi-Fi Alliance (бывшая Wireless Ethernet Compatibility Alliance) предложила и популяризовала термин Wi-Fi, который практически часто используется для обозначения беспроводных локальных сетей. Перейдем теперь к описанию стандартов, на базе которых индустрия сегодня предлагает WLAN-продукты.

Итак, вначале был IEEE 802.11. Он предусматривал работу в полосе от 2,4ГГЦ до 2,483 ГГц и два метода передачи радиосигнала с расширением спектра: метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum — DSSS) и упоминавшийся уже выше FHSS.

При использовании FHSS передатчик и приемник переключаются на узкополосные несущие разной частоты в определенной последовательности, которая кажется случайной. Схема предусматривает разбивки выделенной полосы частот на 79 поддиапазонов шириной 1 МГц каждый. В качестве модуляции применяется двухуровневое гауссово переключение частот (2-level GFSK), что позволяет достичь скорости передачи данных 1 Мбит/с.

В методе DSSS весь диапазон 2,4 ГГц делится на пять перекрывающихся 26-мегагерцевых поддиапазонов. Информация передается по каждому из каналов без переключения на другие. Значение каждого бита кодируется с помощью избыточной 11-битной последовательности Баркера (Barker) — {10 110 111 000}. Она имеет определенные математические свойства, делающие ее весьма эффективной для кодирования. Над исходным потоком битов выполняется операция XOR с кодовым словом Баркера, в результате чего получается последовательность данных, называемых чипами (chips). Другими словами, каждый бит данных кодируется с помощью 11-битного кода Баркера, и каждая группа из 11 чипов кодирует один бит данных. Затем каждая 11-битная последовательность чипов преобразуется в волновую форму или символ и модулируется. Если в качестве схемы модуляции используется двухпозиционная фазовая манипуляция (BPSK), т. е. один фазовый сдвиг на каждый бит, то скорость передачи составит 1 Мбит/с. Для достижения в два раза большей скорости применяется квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) — с помощью четырех сдвигов фаз удается закодировать два бита в одном символе.

Дальность связи в типичных случаях составляла около 100 м. Существенно, что DSSS и FHSS имеют совершенно разные механизмы сигнализации и поэтому несовместимы. Остановимся несколько подробнее на архитектуре сети 802.11, поскольку она осталась базовой и для последующих версий этого стандарта.

Беспроводные локальные сети (WLAN) на базе 802.11 строятся с помощью двух основных типов устройств: беспроводных станций, которыми обычно являются ПК, и устройств доступа, или, как их называют в англоязычной литературе, «точек доступа» (Access Point — AP). Последние действуют как мосты между проводными и беспроводными сетями. Устройства доступа обычно состоят из радиотрансивера, проводного сетевого интерфейса и программного обеспечения, реализующего функции моста. Они выполняют роль базовых станций в беспроводной сети, собирая потоки данных от множества беспроводных рабочих станций в проводную сеть.

Стандарт 802.11 определяет два режима работы: режим инфраструктуры и специальный (ad hoc). В первом случае сеть содержит по крайней мере одну точку доступа, входящую в инфраструктуру проводной сети, и беспроводные станции. Такая конфигурация называется Basic Service Set (BSS). Два или более BSS, формирующие единую подсеть, образуют Extended Service Set (ESS). В специальном режиме, который иначе называется равноправным (рeer-to-peer), или Independent Basic Service Set (IBSS), множество беспроводных станций прямо взаимодействуют друг с другом без использования точек доступа или других соединений с проводной сетью. Такой режим применяется для быстрого разворачивания сети или в условиях, когда установка проводной сети из-за каких-либо факторов нежелательна.

Стандарт 802.11 не получил признания на рынке. Основными причинами были низкая скорость и высокая стоимость. А подешеветь продукты этой технологии не успели, поскольку в сентябре 1999 г. был ратифицирован стандарт IEEE 802.11b, который предлагал скорость передачи до 11 Мбит/с.

Спецификация 802.11b определяет только один метод передачи — DSSS. Таким образом, сети 802.11b будут взаимодействовать с системами 802.11 DSSS, но не с 802.11 FHSS. Для увеличения скорости передачи используется более совершенная техника кодирования, предложенная в 1998 г. компаниями Lucent и Harris Semiconductor (ныне входящей в Intersil). Она называется Complementary Code Keying (CCK), что можно перевести как манипуляция с помощью дополнительного кода. Здесь вместо кода Баркера применяется последовательность кодов, называемых дополнительными (Complementary Sequences). Она состоит из 64 8-чиповых кодирующих слов и позволяет закодировать одним словом вплоть до 6 бит. Затем код CCK модулируется с помощью схемы QPSK, точно такой же, как и в методе 802.11 DSSS. Это добавляет к символу еще два бита. Символы посылаются с частотой 1,375 Мбит/с, что и дает в результате пропускную способность 11 Мбит/с.

Можно заметить, что 802.11b является не самостоятельной разработкой, а всего лишь модификацией стандарта 802.11 — по сути, в первом применена более эффективная схема кодирования. Поэтому неудивительно, что продукты 802.11b появились на рынке той же осенью 1999 г. А вот путь к потребителю устройств стандарта 802.11a, который был ратифицирован одновременно с 802.11b, оказался более трудным — они вышли лишь через два года, осенью 2001 г. Это не должно вызывать удивления, потому что ничего общего у них, кроме использования радиоинтерфейса, не было.

Спецификация 802.11a предусматривает скорость передачи данных до 54 Mbps, правда, для этого задействуется более емкий информационный канал — полоса частот от 5,15 ГГц до 5,825 ГГц. Кроме разных радиодиапазонов, стандарты 802.11b и 802.11a определяют принципиально различные методы передачи. Если в первом случае используется одна несущая, то во втором — множество несущих (MultiCarrier Modulation — MCM). Схема, применяемая в 802.11a, называется мультиплексированием с разделением по ортогональным частотам (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — OFDM). Главный принцип заключается в том, чтобы разделить основной поток битов на ряд параллельных подпотоков с низкой скоростью передачи и затем использовать их для модуляции соответствующего числа несущих. В итоге, схема BPSK дает скорость передачи 6 Мбит/с, QPSK удваивает это значение, последующее удвоение достигается с помощью 16QAM, ну и, наконец, схема 64QAM позволяет получить 54 Мбит/с.

Как легко видеть, стандарт IEEE 802.11a оказался не совместимым ни с вариантом 802.11b, ни с базовым беспроводным стандартом IEEE 802.11. В то же время первый был благожелательно принят рынком, и инсталляционная база беспроводных сетей на его основе постоянно расширялась. Поэтому в июле 2000 г. была создана группа Task Group G (TGg), которой поручили миссию разработать беспроводной стандарт, использующий полосу 2,4 ГГц и обеспечивающий высокую скорость передачи. После полутора лет работы группа подготовила предварительный вариант нового стандарта, который получил название 802.11g и был ратифицирован в июне 2003 г.

Стандарт 802.11g использовал схему мультиплексирования OFDM, что позволило достичь пропускной способности 54 Мбит/с. Для обеспечения совместимости с сетями 802.11b он предусматривал поддержку механизма кодирования CCK/Barker. О том, как рынок принял 802.11g, говорит тот факт, что продукты, в которых были реализованы два варианта радиоинтерфейса 11a и 11g появились еще в апреле 2003 г., более чем за два месяца до официального утверждения стандарта IEEE.

В таблице 1.1 приведены основные характеристики беспроводных сетей на базе рассмотренных стандартов.

Таблица 1.1 — Основные характеристики беспроводных сетей.