Перспективные беспроводные интерфейсы локальных сетей

Перспективные беспроводные интерфейсы локальных сетей

• Введение
• 1. Базовые аспекты построения беспроводных локальных сетей
• 1.1 Общие понятия
• 1.2 Особенности структуры беспроводной сети
• 1.3 Интерфейсы беспроводной локальной сети
• 1.4 Точки доступа
• 2. Технологии беспроводных локальных сетей
• 2.1 Стандарт 802.11
• 2.2 Уровень MAC канального уровня стандарта 802.11
• 2.3 Физические уровни стандарта 802.11
• 2.4 Wi-Fi
• 2.5 HiperLAN/2
• Заключение
• Библиографический список

Уже несколько десятилетий люди применяют компьютерные сети для обеспечения связи между персоналом, компьютерами и серверами в офисах, крупных компаниях, учебных заведениях. В последнее время наблюдается тенденция ко все более широкому использованию беспроводных сетей.

Беспроводные сети соседствуют с нами уже многие годы. Так, к примитивным формам беспроводной связи можно отнести дымовые сигналы американских индейцев, когда они бросали в огонь шкуры бизонов, чтобы передать на большое расстояние какое-то сообщение. Или использование прерывистых световых сигналов для передачи посредством азбуки Морзе информации между кораблями, этот метод был и остается важной формой связи в мореплавании. И, конечно, столь популярные ныне сотовые телефоны, позволяющие людям общаться через огромные расстояния, также можно отнести к беспроводной связи.

Сегодня использование беспроводных сетей позволяет людям «расширить» свое рабочее место и получить в результате этого ряд преимуществ. Во время деловых поездок можно, например, отправлять электронные письма в ожидании посадки на самолет в аэропорту. Домовладельцы могут с легкостью использовать общее Internet-соединение для многих ПК и ноутбуков без прокладки кабелей.

Таким образом, тема настоящей работы является, несомненно, актуальной.

Предмет исследования — технологии построения локальных сетей, объект исследования — беспроводные интерфейсы локальных сетей.

Цель работы — изучение перспективных беспроводных интерфейсов локальных сетей. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— Изучить базовые аспекты построения беспроводных локальных сетей

— Исследовать технологии, используемые для построения беспроводных локальных сетей.

В качестве методологического обеспечения используются работы отечественных и зарубежных авторов, справочная литература, материалы периодической печати, информация специализированных интернет-ресурсов.

1. Базовые аспекты построения беспроводных локальных сетей

1.1 Общие понятия

Локальной вычислительной сетью называется, как правило, сеть, которая имеет замкнутую инфраструктуру до выхода на поставщика услуг. Это может быть небольшая офисная сеть, состоящая из нескольких компьютеров, расположенных в нескольких кабинетах, и сеть крупного завода, который занимает площадь в несколько гектаров. Существуют локальные сети (орбитальные центры, космические станции), узлы которых отстоят друг от друга на расстояния более 10 000 км. [11]

Локальные сети представляют собой сети закрытого типа, доступ к которым разрешается ограниченному кругу пользователей.

В локальной сети компьютеры соединяются между собой посредством различных сред доступа, таких, как медные или оптические проводники, радиоканалы.

Проводная связь в локальной сети обеспечивается технологией Ethernet, беспроводная — BlueTooth, Wi-Fi, GPRS и т. д. Для обеспечения связи между компьютерами локальной сети используется различные модели оборудования, поддерживающие соответствующие технологии. При этом точку соединения между компьютером пользователя и локальной сетью называют сетевым интерфейсом или интерфейсом локальной сети[1].

В общем случае интерфейсом называют некоторую совокупность правил, методов и средств, которые обеспечивают условия взаимодействия между элементами некоторой системы[9].

В настоящее время наблюдается тенденция ко все более широкому использованию беспроводных сетей. И действительно, сейчас доступны беспроводные интерфейсы, позволяющие использовать сетевые службы, работать с электронной почтой и просматривать Web-страницы независимо от того, где находится пользователь.

Существует множество разновидностей беспроводной связи, но важнейшей особенностью беспроводных сетей является то, что связь осуществляется между компьютерными устройствами. К ним относятся персональные цифровые помощники (personal digital assistance, PDA), ноутбуки, персональные компьютеры (ПК), серверы и принтеры. Компьютерными устройствами считаются такие, которые имеют процессоры, память и средства взаимодействия с какой-то сетью. Обычно сотовые телефоны не относят к числу компьютерных устройств, однако новейшие телефоны и даже головные гарнитуры (наушники) уже обладают определенными вычислительными возможностями и сетевыми адаптерами. Все идет к тому, что скоро большинство электронных устройств будут обеспечивать возможность подключения к беспроводным сетям.

Беспроводные сети в качестве средства передачи для обеспечения взаимодействия между пользователями, серверами и базами данных используют радиоволны или инфракрасный (ИК) диапазон[8]. Эта среда передачи невидима для человека. Кроме того, действительная среда передачи (воздух) прозрачна для пользователя. Сейчас многие производители интегрируют платы интерфейса сети (network interface card, NIC), так называемые сетевые адаптеры, и антенны в компьютерные устройства таким образом, что они не видны пользователю. Это делает беспроводные устройства мобильными и удобными в применении.

Беспроводные локальные сети обеспечивают высокие характеристики при передаче данных внутри и вне офисов, производственных помещений и зданий. Пользователи таких сетей обычно используют ноутбуки, ПК и PDA с большими экранами и процессорами, способными выполнять ресурсоемкие приложения. Эти сети вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к параметрам соединений компьютерными устройствами такого типа.

Беспроводные локальные сети легко обеспечивают характеристики, необходимые для бесперебойного выполнения высокоуровневых приложений. Так, пользователи этих сетей могут получать объемные вложения в сообщения электронной почты или потоковое видео с сервера.

По своим характеристикам, компонентам, стоимости и выполняемым операциям эти сети похожи на традиционные проводные локальные сети типа Ethernet.

Вследствие того, что адаптеры беспроводных локальных сетей уже встроены в большинство ноутбуков, многие провайдеры общедоступных беспроводных сетей начали предлагать беспроводные локальные сети для обеспечения мобильного широкополосного доступа к Internet.

Пользователи ряда общедоступных беспроводных сетей в «горячих» зонах доступа, таких как аэропорты или гостиницы, могут отправлять и получать сообщения электронной почты или выходить в Internet за определенную плату (если данное учреждение не обеспечивает бесплатный доступ). Быстрый рост числа общедоступных беспроводных сетей делает Internet доступным для пользователей, находящихся в зонах скопления людей.

Преобладающим для беспроводных локальных сетей является стандарт IEEE 802.11, различные версии которого регламентируют передачу данных в диапазонах 2,4 и 5 ГГц. 2] Основная проблема, связанная с этим стандартом, состоит в том, что в должной мере не обеспечивается взаимодействие устройств, соответствующих его различным версиям. Так, адаптеры компьютерных устройств беспроводных локальных сетей стандарта 802.11а не обеспечивают соединения с компьютерными устройствами, соответствующими стандарту 802.11b. Существуют и другие нерешенные вопросы, связанные со стандартом 802.11, например недостаточная степень безопасности.

Для того чтобы как-то разрешить проблемы, связанные с применением устройств стандарта 802.11, организация «Альянс Wi-Fi» свела все его совместимые функции в единый стандарт, названный Wireless Fidelity (Wi-Fi). Если какое-то устройство беспроводных локальных сетей соответствует стандарту Wi-Fi, это практически гарантирует способность его совместной работы с другими устройствами, соответствующими стандарту Wi-Fi. 1] Открытость стандарта Wi-Fi позволяет различным пользователям, применяющим разные платформы, работать в одной и той же беспроводной локальной сети, что чрезвычайно важно для общедоступных беспроводных локальных сетей.

1.2 Особенности структуры беспроводной сети

Структура (или архитектура) сети определяет протоколы и компоненты, необходимые для удовлетворения требований выполняемых в ней приложений. Одним из популярных стандартов, на основе которого можно рассмотреть структуру сети, является Эталонная модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection (OSI) reference model), разработанная Международной организацией по стандартизации (International Standards Organization, ISO). Модель OSI охватывает все сетевые функции, группируя их в так называемые уровни, задачи которых выполняются различными компонентами сети (Рисунок 1.1). Эталонную модель OSI удобно также использовать при рассмотрении различных стандартов и возможности взаимодействия беспроводных сетей.

Уровни OSI обеспечивают выполнение следующих функций сети.

Уровень 7 — уровень приложений. Обеспечивает связь пользователей и работу основных коммуникационных служб (передача файлов, электронная почта). Примеры программного обеспечения, выполняемого на этом уровне — простой протокол электронной почты (Simple Mail Transfer Protocol, SMTP), протокол передачи гипертекстовых файлов (Hypertext Transfer Protocol, HTTP) и протокол передачи файлов (File Transfer Protocol, FTP).

Уровень 6 — уровень представления данных. Регламентирует синтаксис передачи данных для уровня приложений и при необходимости осуществляет преобразование форматов данных. Например, этот уровень может преобразовать код, представляющий данные, при обеспечении связи между удаленными системами различных производителей.

Рисунок 1.1 Уровни эталонной модели OSI [5]

Уровень 5 — сеансовый уровень. Устанавливает сеансы связи между приложениями, управляет ими и завершает их. Промежуточное программное обеспечение и контроллеры доступа обеспечивают такую форму связи через беспроводную сеть. Если работа беспроводной сети нарушается из-за помех, задачей сеансового уровня является приостановление связи до момента снижения уровня помех до допустимого.

Уровень 4 — транспортный уровень. Обеспечивает механизмы для создания, сопровождения и должного завершения виртуальных цепей, позволяя более высоким уровням не заботиться о деталях реализации сети. В общем случае эти цепи представляют собой соединения, устанавливаемые между приложениями, выполняемыми на разных концах коммуникационных цепей (например, между Web-браузером ноутбука и Web-страницей сервера). На этом уровне работает, например, протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP).

Уровень 3 — сетевой уровень. Обеспечивает маршрутизацию пакетов при их следовании от отправителя к получателю. Механизм маршрутизации обеспечивавший отправку пакетов в направлении, ведущем к указанной точке назначения. На этом уровне работает протокол Internet (Internet Protocol, IP).

Уровень 2 — канальный уровень. Обеспечивает доступ к среде, а также синхронизацию между объектами сети и контроль ошибок. В беспроводных сетях на этом уровне также осуществляется координация доступа к совместно используемой среде и повторная передача в случае возникновения ошибок при передаче данных от отправителя к получателю. В большинстве разновидностей беспроводных сетей используется общий метод выполнения функций на канальном уровне, независимо от реально используемых средств передачи.

Уровень 1 — физический уровень. Обеспечивает реальную передачу информации через среду. К физическому уровню можно отнести радиоволны и ИК-излучение.

За счет комбинирования уровней сетевые структуры обеспечивают выполнение необходимых функций, но беспроводные сети непосредственно используют только нижние уровни вышеописанной модели. Например, плата интерфейса сети выполняет функции канального и физического уровней. Другие составляющие, такие как промежуточное программное обеспечение беспроводной сети, обеспечивают выполнение функций, характерных для сеансового уровня. В некоторых случаях добавление беспроводной сети может повлиять только на нижние уровни, но для обеспечения эффективной работы приложений в случае ухудшения характеристик беспроводной сети не стоит забывать и о более высоких уровнях.

Каждый уровень модели OSI обеспечивает потребности вышестоящего уровня.

Так, TCP, работающий на транспортном уровне, устанавливает соединение с приложениями, выполняемыми на удаленном хосте, не учитывая то, как нижние уровни обеспечивают синхронизацию и передачу сигналов.

Как следует из Рисунок 1.1, протоколы на каждом уровне взаимодействуют через сеть с уровнем соответствующего ранга. Однако реальная передача данных происходит на физическом уровне. В результате такая структура обеспечивает процесс расслоения, при котором конкретный уровень вставляет информацию своего протокола во фреймы, размещающиеся во фреймах нижних уровней. Фрейм, пересылаемый на физическом уровне, в действительности содержит фреймы всех верхних уровней.

В пункте назначения каждый уровень передает соответствующие фреймы всем вышестоящим уровням, обеспечивая работу протоколов на уровнях одинакового ранга.

1.3 Интерфейсы беспроводной локальной сети

В беспроводных сетях используются те же компоненты, что и в проводных сетях, однако беспроводные сети должны уметь преобразовывать информацию в форму, пригодную для передачи ее через воздушную среду (medium). Хотя беспроводная сеть непосредственно включает только часть всей инфраструктуры сети, снижение параметров всей сети вызывается, несомненно, ухудшением, вызванным применением беспроводной среды передачи.

Беспроводные сети включают компьютерные устройства, базовые станции и беспроводную инфраструктуру[7].

Плата интерфейса сети, или сетевой адаптер (network interface card), обеспечивает интерфейс между компьютерным устройством и инфраструктурой беспроводной сети. Она устанавливается внутри компьютерного устройства, но применяются и внешние сетевые адаптеры, которые после включения остаются вне компьютерного устройства.

Стандарты на беспроводную сеть определяют, как должна функционировать плата интерфейса сети. Например, плата, соответствующая стандарту IEEE 802.11b, сможет взаимодействовать лишь с беспроводной сетью, инфраструктура которой соответствует этому же стандарту. Поэтому пользователи должны быть внимательными и заботиться о том, чтобы выбранная ими плата соответствовала типу инфраструктуры той беспроводной сети, к которой они желают получить доступ.

Основной компонент беспроводной локальной сети — радиоплата интерфейса сети, зачастую реализуемая на основе стандарта 802.11. Эти радиоплаты обычно работают на одном физическом уровне — 802.11а или 802.11b/g. Как следствие, радиоплата должна реализовывать версию стандарта, совместимого с беспроводной локальной сетью. Радиоплаты беспроводных локальных сетей, реализующие сразу несколько версий этого стандарта и обеспечивающие поэтому более высокую способность к взаимодействию (interoperability), становятся все более распространенными[3].

Плата интерфейса беспроводной сети характеризуется также форм-фактором, определяющим физические и электрические параметры интерфейса шины, который позволяет плате взаимодействовать с компьютерным устройством.

Радиоплаты поставляются в различных форм-факторах: ISA, PCI, PC card, miniPCI и CF. В ПК обычно используются платы ISA и PCI, а в PDA и ноутбуках PCcard, mini-PCI и CF-адаптеры[7].

Industry-Standard Architecture (ISA)

Industry-Standard Architecture (ISA) — архитектура, соответствующая промышленному стандарту. Шина ISA получила широкое распространение с начала 80-х годов. Хотя ее характеристики были весьма невысокими, почти все производители ПК до недавнего времени устанавливали хотя бы один разъем для шины ISA. Но ее характеристики не могли улучшаться так же быстро, как параметры других компьютерных компонентов, и сейчас уже доступны высокоскоростные альтернативы этой шине. Шина ISA не оказала серьезного влияния на характеристики беспроводных локальных сетей стандарта 802.lib. Не стоит приобретать новые карты ISA, поскольку они уже устарели.

Peripheral Component Interconnect (PCI).

На сегодня локальная шина соединения периферийных устройств — наиболее популярный интерфейс для ПК, поскольку имеет высокие характеристики. Изначально разработала и выпустила PCI в 1993 г. компания Intel, и эта шина до сих пор удовлетворяет потребностям последних моделей мультимедийных компьютеров. Платы PCI стали первыми, в которых была реализована технология «plug-and-play», значительно облегчающая установку платы интерфейса сети в компьютер. Схемные решения PCI могут распознать совместимые PCI-платы и начать работу с операционной системой компьютера, чтобы выполнить конфигурацию каждой платы. Это экономит время и позволяет избежать ошибок при установке плат неопытными пользователями.

PC Card

Платы конструктива PC Card были разработаны в начале 90-х годов Международной ассоциацией производителей плат памяти для персональных компьютеров IBM PC (Personal Computer Memory Card International Association, PCMCIA). PC Card представляет собой устройство размером с кредитную карту, содержащее внешнюю память, модемы, устройства подключения к внешним устройствам, а также обеспечивающее совместимость с беспроводной сетью для небольших компьютерных устройств, таких как ноутбуки и PDA. Наиболее широко распространенны и даже более популярны, чем платы для шин ISA или PCI, поскольку используются в ноутбуках и PDA, число которых быстро растет. Можно использовать PC Card и в настольном ПК, воспользовавшись адаптером, преобразующим PC Card в плату PCI, т. е. одна сетевая интерфейсная плата для двух компьютеров. Вы можете брать PC Card в деловую поездку или на работу и использовать ее же в своем настольном ПК в офисе.

Mini-PCI.

Плата типа мини-PCI представляет собой уменьшенную версию стандартной платы PCI для настольных ПК и пригодна для установки в небольшие мобильные компьютерные устройства. Она обеспечивает почти такие же возможности, как и обычная плата PCI, но ее размеры примерно в четыре раза меньше. Плата типа мини-PCI может устанавливаться в ноутбуки (опционально, по желанию покупателя). Серьезным преимуществом платы такого типа (использующей радиоканал) является то, что она оставляет свободным разъем для установки PC Card, в который можно вставить плату расширения памяти или графического акселератора. Кроме того, стоимость беспроводной платы интерфейса сети на основе технологии мини-PCI, как правило, ниже. Однако эти платы тоже имеют недостатки. Для их замены, как правило, приходится разбирать ноутбук, из-за чего можно лишиться гарантии производителя. Применение платы типа мини-PCI может также привести к снижению производительности, поскольку часть обработки (если не всю обработку) они возлагают на компьютер.

CompactFlash.

Впервые технология CompactFlash (CF) была предложена корпорацией SanDisk в 1994 г., но беспроводные сетевые интерфейсные платы форм-фактора CF до недавнего времени не производились. Плата CF небольшого размера, весит 15 г (половину унции) и вдвое тоньше PC Card. Ее объем вчетверо меньше, чем у радиоплаты типа PC Card. Отличается низкой потребляемой мощностью, благодаря чему батареи питания служат значительно дольше, чем при использовании устройств с PC Card.

Самые распространенные адаптеры для беспроводных ЛВС имеют формфактор PC Card Туре II. Для подключения к ПК они оснащены либо 16-разрядным хост-интерфейсом PCMCIA, который можно сравнить со старой компьютерной шиной ISA, либо 32-разрядным хост-интерфейсом CardBus, являющимся аналогом шины PCI. Для нормальной работы 11-Мбит/с адаптера стандарта 802.11b вполне достаточно пропускной способности 16-разрядного интерфейса, но платы стандартов 802.11a и 802.11b, работающие быстрее, должны иметь интерфейс CardBus — многие ноутбуки оснащены им. Не следует думать, что если мобильное вычислительное устройство новое, то оно обязательно оборудовано слотом CardBus. Например, блок расширения PC Card для популярных карманных компьютеров HP iPaq поддерживает только 16-разрядные платы PCMCIA.

Большая часть недавно выпущенных ноутбуков оснащена встроенным 32-битовным хост-интерфейсом mini-PCI. Обычно слот mini-PCI находится под крышкой на нижней панели ноутбука. Очень часто беспроводные сетевые адаптеры mini-PCI предустанавливаются производителями на свои машины. Если в вашем ноутбуке такой адаптер отсутствует, вы можете купить и инсталлировать его сами.

Стационарный ПК подключается к беспроводной ЛВС с помощью либо беспроводного сетевого PCI-адаптера, либо беспроводного интерфейса USB. Для установки PCI-адаптера нужны определенные навыки, и здесь стоит отметить, что если системный блок ПК располагается под столом, то там же оказывается и антенна этого адаптера — согласитесь, не лучшее место для нее с точки зрения обеспечения надежной радиосвязи. Беспроводной интерфейс USB инсталлировать гораздо удобнее, к тому же его можно разместить так, чтобы ничто не мешало приему и передаче радиосигналов. Впрочем, в случае применения этого интерфейса может наблюдаться некоторое снижение скорости передачи данных по сравнению с таковой у PCI-адаптера.

1.4 Точки доступа

Связь между отдельными пользовательскими устройствами беспроводной сети и платы интерфейса сети обеспечивается при помощи точки доступа.

Системное программное обеспечение точки доступа обеспечивает взаимодействие частей беспроводной локальной сети и распределительной системы точки доступа. Это программное обеспечение дифференцирует точки доступа по степени обеспечения управляемости, установки и функциям безопасности.

В большинстве случаев точка доступа обеспечивает http-интерфейс, позволяющий изменять ее конфигурацию с помощью пользовательского устройства, оборудованного сетевым интерфейсом, и Web-браузера. Некоторые точки доступа также оснащаются последовательным интерфейсом RS-232, благодаря чему их можно конфигурировать через последовательный кабель или пользовательское устройство, осуществляющее эмуляцию терминала и выполняющее программу Telnet (гипертерминал).

2. Технологии беспроводных локальных сетей

Чаще всего беспроводные локальные сети создают в соответствии со стандартами 802.11 и HyperLAN/2. Их мы и рассмотрим.

2.1 Стандарт 802.11

Стандарт IEEE 802.11 описывает общий протокол управления доступом к передающей среде (Media Access Control, MAC) и несколько физических уровней беспроводных локальных сетей. Первая редакция стандарта 802.11 .была принята в 1997 г., но тогда беспроводные локальные сети не нашли широкого применения. Ситуация коренным образом изменилась в 2001;м, когда цены на компоненты резко снизились. Рабочая группа по разработке стандарта IEEE 802.11 активно работает над усовершенствованием стандарта, стремясь улучшить характеристики и защищенность беспроводных локальных сетей. Стандарт 802.11 регламентирует применение физического уровня с использованием ИК-излучения, однако в настоящее время на рынке отсутствуют продукты, соответствующие этой версии стандарта[2].

2.2 Уровень MAC канального уровня стандарта 802.11

Стандарт 802.11 описывает один уровень MAC, на котором обеспечивается выполнение множества функций с целью обеспечения работоспособности беспроводных локальных сетей стандарта 802.11. Уровень MAC осуществляет управление и поддержку связи между станциями стандарта 802.11 (радиоплатами интерфейса сети и точками доступа), координируя доступ к совместно используемой среде (в данном случае к радиоэфиру). Считающийся «мозгом» сети, уровень MAC стандарта 802.11 управляет физическим уровнем стандарта 802.11, таким как 802.11а, 802.11b или 802.11g, с целью решения задач по определению занятости или незанятости среды, осуществления передачи и приема фреймов стандарта 802.11. Прежде чем передать фрейм, станция должна получить доступ к среде, т. е. совместно используемому станциями радиоканалу. Стандарт 802.11 регламентирует две формы доступа к среде: распределенная функция координации (distributed coordination function, DCF) и точечная функция координации (point coordination function, PSF). Поддержка режима DCF обязательна и основана на протоколе, обеспечивающем множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA). При работе в режиме DCF станции вступают в конкуренцию за право доступа к среде и пытаются передать фреймы, если в это время никакая другая станция не осуществляет передачу (Рисунок 2.1). Если какая-то станция передает фрейм, остальные ждут освобождения канала.

Рисунок 2.1 Распределенная форма доступа к среде [2]

В качестве условия доступа к среде (Рисунок 2.1) уровень MAC проверяет значение своего вектора распределения сети (network allocation vektor, NAV), который представляет собой размещенный на каждой станции счетчик, значение которого соответствует времени, необходимому для передачи предыдущего фрейма. Значение NAV должно быть равно нулю, чтобы станция могла попытаться отправить фрейм. Прежде чем послать фрейм, станция вычисляет необходимое для его передачи время на основе объема фрейма и скорости передачи данных в сети. Станция помещает значение, соответствующее названному времени, в поле продолжительности (duration field) заголовка фрейма. Когда станция получает фрейм, она проверяет значение в его поле продолжительности и использует его в качестве основы для установки своих NAV. Благодаря этому процессу среда резервируется для использования ее передающей станцией[2].

Важным аспектом режима DCF является таймер отката (back-off timer), который станция использует в случае, если среда передачи оказывается занятой. Если канал используется другой станцией, желающая передать фрейм станция должна находиться в режиме ожидания некоторый случайный промежуток времени и лишь после этого вновь попытаться получить доступ к среде. Благодаря этому исключается возможность того, что несколько станций, намеревающихся передать фреймы, начнут их отправку одновременно. Из-за случайной задержки разные станции ожидают права на передачу в течение разных периодов времени, поэтому не проверяют среду на занятость в один и тот же момент времени и, обнаружив, что канал свободен, не начинают передачу, создавая тем самым коллизию. Таймер отката существенно снижает число коллизий и, соответственно, повторных передач, особенно когда количество активных пользователей велико.

При использовании локальных сетей на основе радиоканалов передающая станция не может прослушивать среду на предмет возникновения коллизии во время отправки данных, поскольку она не способна использовать свой приемник во время передачи данных. Поэтому приемная станция должна послать подтверждение (acknowledgement, ACK) того, что она не обнаружила в полученном фрейме ошибок.

Если передающая станция не получит АСК в течение определенного промежутка времени, она предполагает, что произошла коллизия или фрейм был поврежден из-за радиопомех, и передает его повторно.

С целью поддержки оперативной передачи фреймов (например, видеосигналов) стандарт 802.11 опционально предлагает механизм PCF, при использовании которого точка доступа гарантирует конкретной станции доступ к среде путем опроса станции в период, свободный от конкуренции. Станции не могут передавать фреймы до тех пор, пока точка доступа не опросит их на предмет наличия фреймов для передачи. Периоды времени для трафика данных на основе механизма PCF (если это возможно) наступают поочередно с периодами конкуренции.

Точка доступа опрашивает станции в соответствии с опросным листом, затем переходит в режим конкуренции, при котором станции используют механизм DCF.

Благодаря этому поддерживаются оба режима работы — синхронный и асинхронный. Однако на рынке пока отсутствуют беспроводные платы интерфейса сети или точки доступа, способные работать в режиме PCF.

Одна из проблем, связанных с PCF, состоит в том, что мало кто из поставщиков поддерживает его в своих продуктах. Поэтому обычно предоставляемые этим механизмом возможности оказываются недоступными для пользователей. Однако в будущем продукты будут поддерживать PCF, поскольку этот механизм позволяет получить необходимое качество обслуживания (QoS).

Рассмотрим основные функции, выполняемые на уровне MAC стандарта 802.11.

Сканирование

Стандарт 802.11 регламентирует оба варианта сканирования— активное и пассивное. В ходе этого процесса радиоплата интерфейса сети отыскивает точку доступа. Пассивное сканирование является обязательным, при его осуществлении каждая плата интерфейса сети сканирует отдельные каналы с целью обнаружения наилучшего сигнала от точки доступа. Точки доступа периодически в широковещательном режиме посылают маячковый сигнал (beacon). Радиоплаты интерфейса сети принимают эти маячковые сигналы и принимают к сведению уровень соответствующего сигнала. Эти маячковые сигналы содержат информацию о точке доступа, включая ее идентификатор зоны обслуживания (service set ifentifier, SSID) и поддерживаемую скорость передачи данных. Радиоплата интерфейса сети может использовать эту информацию наряду с данными об интенсивности сигнала для сравнения точек доступа и принятия решения о том, к какой из них следует подключиться[3].

Опциональное активное сканирование осуществляется похожим способом, заисключением того, что этот процесс инициируется радиоплатой интерфейса сети. Она посылает широковещательный зондирующий фрейм (probe frame), а все точки доступа, находящиеся в радиусе действия, посылают ей ответ на зондирующий фрейм (probe responce). Благодаря активному сканированию радиоплата интерфейса сети может немедленно получить ответы от точек доступа, не дожидаясь передачи маячкового сигнала. Однако при активном сканировании в сети возникают непроизводительные затраты, обусловленные передачей зондирующих фреймов запроса и ответов на них.

Станции, работающие в режиме неплановой сети, в стандарте 802.11 называются независимой базовой зоной обслуживания (independent basic service set, IBSS). При работе в этом режиме одна из станций всегда посылает маячковые сигналы, извещая тем самым новые станции о наличии сети. Ответственность за передачу этого маячкового сигнала лежит на каждой станции, ожидающей завершения маячкового интервала (beacon interval) еще некоторое случайное время. Станция передает маячковый сигнал, если по истечении маячкового интервала и некоторого случайного промежутка времени эта станция не получит маячковый сигнал от какой-либо другой станции. Таким образом, ответственность за передачу маячковых сигналов распределяется между всеми станциями.

Аутентификация

Аутентификация — это процесс, в ходе которого проверяется идентичность. Стандарт 802.11 регламентирует две ее формы: открытая система аутентификации и аутентификация с совместно используемым ключом. Открытая система аутентификации является обязательной и проводится в два этапа. Радиоплата интерфейса сети инициирует процесс аутентификации, посылая точке доступа фрейм запроса на аутентификацию. Точка доступа отвечает фреймом ответа на запрос об аутентификации, содержащий разрешение или отказ в аутентификации, что указывается в поле кода состояния (status code) тела фрейма[3].

Аутентификация с совместно используемым ключом является опциональной и осуществляется в четыре этапа. Процесс основан на определении того, имеет ли аутентифицируемое устройство правильный WEP-ключ.' Радиоплата интерфейса сети начинает его, посылая точке доступа фрейм запроса на аутентификацию. Точка доступа, поместив текст вызова (challenge text) в тело фрейма ответа, посылает его радиоплате интерфейса сети. Радиоплата интерфейса сети использует свой WEP-ключ для шифрования текста вызова и посылает его назад точке доступа в другом фрейме аутентификации. Точка доступа дешифрует текст вызова и сравнивает его с первоначальным. Если оба текста эквивалентны, точка доступа предполагает, что радиоплата интерфейса сети имеет корректный ключ. Точка доступа завершает последовательность обменов путем отправки радиоплате интерфейса сети фрейма аутентификации с разрешением или отказом. Многие хакеры знают, как можно преодолеть барьер, создаваемый посредством аутентификаций с совместно используемым ключом, поэтому полагаться на такую систему защиты, если нужно обеспечить высокий уровень безопасности, не стоит.

Привязка

После завершения процесса аутентификации радиоплата интерфейса сети должна привязаться к точке доступа, только после этого она сможет посылать фреймы данных.

Привязка (association) необходима для обмена важной информацией между радиоплатой интерфейса сети и точкой доступа, например, о поддерживаемых скоростях передачи данных. Радиоплата интерфейса сети инициирует процесс привязки путем отправки фрейма с запросом на привязку, содержащим такие данные, как SSID и поддерживаемая скорость передачи данных. Точка доступа отвечает, отправляя фрейм ответа на запрос о привязке, содержащий идентификатор ассоциации и другую информацию по точке доступа. После того как радиоплата интерфейса сети и точка доступа завершат процесс привязки, они могут передавать одна другой фреймы данных[3].

WEP

Если опциональный режим WEP доступен, плата интерфейса беспроводной сети, прежде чем передать какой-либо фрейм, шифрует его тело (но не заголовок) с использованием общего ключа. Приемная станция, получив фрейм, дешифрует его с помощью общего ключа. Стандарт 802.11 не регламентирует метод распределения ключа, что делает беспроводные локальные сети стандарта 802.11 уязвимыми для подслушивания. Однако версия 802. Hi этого стандарта повышает степень защищенности за счет введения в стандарт механизмов 802.11х и более надежного шифрования[3].

RTS/CTS

Опциональные механизмы определения готовности к передаче (request to send) и готовности к приему (clear to send) позволяют точке доступа контролировать процесс использования среды передачи станциями, у которых активизирована функция RTS/CTS. При использовании большинства радиоплат интерфейса сети пользователи могут устанавливать максимальный объем фрейма, при превышении которого радиоплата интерфейса сети активизирует режим RTS/CTS. Например, при задании объема фрейма, равного 1000 бит, режим RTS/CTS будет использован для всех фреймов объемом свыше 1000 бит. За счет использования режима RTS/CTS смягчаются проблемы скрытого узла (когда две или более радиоплаты интерфейса сети не могут слышать одна другую, хотя и привязаны к одной точке доступа)[3].

Если радиоплата интерфейса сети активизировала режим RTS/CTS, она, прежде чем посылать фрейм данных, отправляет точке доступа фрейм RTS. Точка доступа отвечает на него фреймом CTS, указывая тем самым, что радиоплата интерфейса сети может послать фрейм данных. Одновременно с отправкой фрейма CTS точка доступа предлагает значение поля продолжительности заголовка фрейма, которое удерживает другие станции от передачи, чтобы станция, передавшая фрейм RTS, могла передать и свой фрейм данных. Это позволяет избежать коллизий, вызванных проблемой скрытого узла. Обмен фреймами RTS/CTS сопровождает передачу каждого фрейма данных, объем которого превышает порог, установленный на соответствующей радиоплате интерфейса сети.

2.3 Физические уровни стандарта 802.11

Несколько физических уровней стандарта 802.11 удовлетворяют различным требованиям, предъявляемым к сети разными приложениями[8].

Изначальный 802.11

Первоначальный стандарт 802.11, ратифицированный в 1997 г., включает физические уровни, на которых выполняется расширение спектра путем скачкообразного переключения частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) и высокоскоростная передача с расширением спектра методом прямой последовательности (high-rate direct sequence spread spectrum, HR-DSSS). Скорость передачи данных достигает 2 Мбит/с, связь осуществляется в диапазоне 2,4 ГГц' При использовании технологии FHSS широкополосные сигналы занимают весь диапазон 2,4 ГГц, отведенный для таких целей[7].

Можно настроить точки доступа, работающие в режиме FHSS, на 15 различных схем переключения частоты, чтобы они не создавали взаимных помех. Благодаря этому до 15 точек доступа могут эффективно работать в режиме FHSS водной и той же зоне.

Поскольку текущая версия стандарта 802.11 с режимом FHSS обеспечивает максимальную скорость передачи данных лишь 2 Мбит/с, немногие компании предлагают решения на основе FHSS для беспроводных локальных сетей, предназначенных для развертывания внутри помещений. Сейчас доступны более быстродействующие сети на основе стандартов 802.11а, 802.11b и 802.11g. Кроме того, механизм FHSS не способен взаимодействовать с другими физическими уровнями стандарта 802.11. Однако сети на основе FHSS представляют собой хорошее решение для систем типа «точка-несколько точек», предназначенных для развертывания вне помещений. Это обусловлено тем, что технология FHSS более устойчива к воздействию радиопомех, уровень которых вне помещений может оказаться весьма высоким.

Системы DSSS стандарта 802.11 также обеспечивают скорость передачи всего лишь 2 Мбит/с, но зато совместимы с новейшим физическим уровнем, 802.11b. Поэтому пользователь, в ноутбуке которого установлена радиоплата интерфейса сети стандарта 802.11 DSSS, может взаимодействовать с точками доступа стандарта 802.11b. Однако такая ситуация маловероятна, поскольку радиоплаты интерфейса сети стандарта 802.11 DSSS уже не продаются.

802.11а

В конце 1999 г. IEEE выпустила стандарт 802.11 а, регламентирующий передачу данных в диапазоне 5 ГГц с использованием технологии мультиплексирования с разделением по ортогональным частотам (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM), при этом обеспечивается скорость передачи данных до 54 Мбит/с. Однако продукты, реализующие эту технологию, не были доступны до 2000 г., в основном из-за трудностей, возникающих при разработке электронных схем, работающих в этом диапазоне[7].

Устройства стандарта 802.11а работают в диапазоне 5 ГГц, обеспечивая скорость передачи данных до 54 Мбит/с при радиусе действия до 90 м, который зависит от действительной скорости передачи данных. Точки доступа и радиоплаты интерфейса сети стандарта 802.11а появились на рынке в конце 2001;го, поэтому доля установленного оборудования, соответствующего этому стандарту, пока незначительна по сравнению с количеством сетей стандарта 802.11b. Рекомендуется тщательно изучить проблемы совместимости, которые могут возникнуть при развертывании сети стандарта 802.11 а.

Важным преимуществом стандарта 802.11а является то, что он предлагает повышенную пропускную способность благодаря использованию 12-ти отдельных, неперекрывающихся каналов. Это хороший выбор при необходимости поддержки многих, сконцентрированных в небольшой зоне пользователей и высокопроизводительных приложений, таких как потоковое видео. Помимо более высоких характеристик, чем у систем стандарта 802.11b, сети стандарта 802.11а имеют и более высокую пропускную способность, чем сети 802.11g.

Другим преимуществом стандарта 802.11а является то, что диапазон 5 ГГц используется еще недостаточно широко, что позволяет пользователям достигать высокой производительности. Большинство создающих помехи устройств, таких как микроволновые печи и беспроводные телефоны, работают в диапазоне 2,4 ГГц. Поскольку потенциал радиопомех в диапазоне 5 ГГц ниже, развертывание беспроводной локальной сети оказывается менее рискованным[7].

Потенциальная проблема сетей стандарта 802.11 а — их ограниченный радиус действия, что обусловлено главным образом их работой в диапазоне более высоких частот (5 ГГц). При работе на скоростях до 54 Мбит/с радиус действия в большинстве случаев ограничен величиной 90 м. Для того чтобы обеспечить работу сети в пределах заданной зоны, приходится устанавливать больше точек доступа, чем при использовании устройств стандарта 802.11b.

Однако, если сравнить работу сетей стандартов802. l1b и 802.11а, то окажется, что пользователь сети 802.11а имеет возможность передавать данные с более высокой скоростью на те же расстояния, что и пользователь сети стандарта 802.11b, прежде чем он потеряет возможность установления соединения. Но при этом пользователь сети стандарта 802.11b может продолжать работу при низкой скорости передачи данных — 1 или 2 Мбит/спри больших расстояниях, чем характерные для сетей стандарта 802.11а.

Несомненную сложность представляет то, что стандарты 802.11а и 802.11b/g несовместимы. Так, пользователь, компьютерное устройство которого оборудовано радиоплатой стандарта 802.11b, не может привязаться к точке доступа, соответствующей стандарту 802.11а, и наоборот. Производители решают эту проблему, предлагая многорежимные радиоплаты, поддерживающие оба стандарта — 802.11а и 802.11b.

Модулятор стандарта 802.11а преобразует двоичный сигнал в аналоговую форму, используя различные методы модуляции в зависимости от того, какая скорость передачи данных была выбрана. Например, при работе со скоростью 6 Мбит/с подуровень среды передачи (physical layer medium dependent, PMD) использует двоичную относительную фазовую манипуляцию (differential binary phase shift keying, DBPSK), при которой осуществляются сдвиги фазы центральной частоты передачи, отображающие различные комбинации двоичных разрядов. При более высоких скоростях передачи (54 Мбит/с), используется квадратурная амплитудная модуляция (quadrature amplitude modulation, QAM). В этом случае биты данных представляются путем изменения центральной частоты передачи, а также изменения амплитуды сигналов в дополнение к сдвигам фазы.

802.11b

Наряду со стандартами 802.11a IEEE ратифицировал стандарт 802.11b, представляющий собой расширение изначального стандарта 802.11, основанного на расширении спектра методом прямой последовательности в диапазоне 2,4 ГГц. Скорость передачи при этом достигает 11 Мбит/с. Точки доступа и радиоплаты интерфейса сети стандарта 802.11b начали появляться на рынке с 1999 г., поэтому значительное количество установленных к настоящему времени сетей соответствуют стандарту 802.11b[7].

Важным преимуществом стандарта 802.11b является то, что соответствующие ему устройства обеспечивают относительно большой радиус действия. Можно рассчитывать, что в большинстве случаев применения внутри помещений дальность связи превысит 270 м. Повышенный радиус действия позволяет устанавливать существенно меньшее количество точек доступа при развертывании беспроводной локальной сети в том же здании, где могла бы быть установлена сеть стандарта 802.11а.

Недостаток стандарта 802.11b в том, что можно выбрать только три неперекрывающихся канала в диапазоне 2,4 ГГц. 7] Стандарт 802.11 определяет 14 каналов (в США разрешены к применению только каналы с 1-го по 11-й), на работу в которых могут быть сконфигурированы точки доступа, но каждый из каналов передачи занимает примерно треть от всего диапазона 2,4 ГГц. Многие компании используют только неперекрывающиеся каналы 1, 6 и 11, чтобы точки доступа не создавали взаимные помехи. Это ограничивает общую пропускную способность сетей стандарта 802.11b, поэтому они хорошо подходят лишь для выполнения приложений среднего уровня производительности, таких как электронная почта и просмотр Web-страниц.

Другим недостатком сетей стандарта 802.11b является их потенциальная подверженность помехам со стороны других радиоустройств[7]. Например, беспроводной телефон, работающий в диапазоне 2,4 ГГц, может создавать серьезные помехи для беспроводной локальной сети стандарта802.11b, из-за чего пользователи ощущают ухудшение ее характеристик. Микроволновые печи и другие устройства, работающие в диапазоне 2,4 ГГц, также могут создавать помехи.

Устройства стандарта 802.11b используют технологию DSSS для рассеяния сигнала фрейм данных по подканалам диапазона 2,4 ГГц, ширина каждого из которых составляет 22 МГц. Это приводит к повышению помехоустойчивости связи по сравнению с тем, когда передача сигнала осуществляется в узкой полосе частот. Поэтому FCC позволяет не приобретать лицензию на использование устройств, работающих с расширением спектра.

Модулятор стандарта802.11b преобразует расширенный двоичный сигнал в аналоговую форму, используя различные методы модуляции в зависимости от того, с какой скоростью осуществляется передача данных. Например, при работе со скоростью 1 Мбит/с на уровне PMD используется двоичная относительная фазовая манипуляция (differential binary phase shift keying, DBPSK). Модулятор просто сдвигает фазу центральной частоты передачи, чтобы в потоке данных можно было отличить двоичную 1 от двоичного 0.

Для передачи со скоростью 2 Мбит/с PMD использует относительную квадратурную фазовую манипуляцию (differential quadrature phase shift keying, DQPSK), которая аналогична DBPSK, за исключением того, что используются четыре возможных сдвига фазы для представления каждых двух битов данных[7]. Благодаря этому хитроумному процессу можно передавать поток данных со скоростью 2 Мбит/с при использовании той же полосы пропускания, которая необходима для передачи со скоростью 1 Мбит/с в случае применения других методов модуляции. Похожие методы используются и при передаче данных с более высокими скоростями — 5,5 и 11 Мбит/с.

802.11g

IIEE ратифицировал стандарт 802.11g в 2003 г. Он совместим со стандартом 802.11b и регламентирует повышенную скорость передачи (54 Мбит/с в диапазоне 2,4 ГГц)[7].

При этом используется мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM).

Сильной стороной стандарта 802.11g является то, что он обратно совместим со стандартом802.11b. Компании, уже развернувшие сети стандарта 802.11b, в общем случае могут модернизировать точки доступа, чтобы обеспечить их совместимость с устройствами стандарта802.11g, просто за счет модернизации программно-аппаратных средств. Это эффективный способ перевода сети компании на новый уровень. Но существующие клиентские устройства стандарта 802.11b при работе в сети стандарта 802.11g требуют введения механизмов защиты, которые ограничивают характеристики беспроводной локальной сети в целом. Это обусловлено тем, что устройства стандарта 802.11b из-за различия в используемых методах модуляции не могут определить, когда устройства стандарта 802.11g осуществляют передачу. Поэтому оба типа устройств должны объявлять о своем намерении использовать среду передачи, используя понятный для обоих тип модуляции.

Недостатки стандарта 802.11b, такие как подверженность потенциальным радиопомехам и наличие только трех неперекрывающихся каналов, присущи и сетям стандарта 802.11g, поскольку они работают в том же диапазоне 2,4 ГГц. Поэтому сети стандарта802.11g имеют ограниченную пропускную способность по сравнению с сетями стандарта 802.11а. 7]

2.4 Wi-Fi

Альянс Wi-Fi (Wi-Fi Alliance), который начал свою работу под именем «Ассоциация контроля совместимости с беспроводным Ethernet» или просто «ассоциация WECA» (wireless ethernet compatibility alliance, WECA), является международной некоммерческой организацией, занимающейся маркетингом и проблемами взаимодействия компонентов беспроводных локальных сетей стандарта 802.11. Альянс Wi-Fi — это группа, раскручивающая бренд «Wi-Fi», под который подпадают все разновидности беспроводных сетей, соответствующие стандарту 802.11 (802.11а, 802.11b и 802.11g), а также все стандарты такого типа, которые появятся в будущем. Альянс Wi-Fi также продвигает технологию защищенного доступа к Wi-Fi (Wi-Fi Protected Access, WPA), связующее звено между многократно раскритикованным механизмом WEP и стандартом защиты 802.11[3].

Альянс Wi-Fi преследует следующие цели:

— обеспечивать по всему миру сертификацию, побуждающую производителей придерживаться стандартов 802.11 при разработке компонентов беспроводных локальных сетей;

— способствовать сбыту сертифицированных Wi-Fi изделий для применения их в домашних условиях, небольших офисах и на предприятиях;

— тестировать и сертифицировать изделия Wi-Fi с целью обеспечения взаимодействия сетей.

Сертификация Wi-Fi — это процесс, благодаря которому обеспечивается возможность взаимодействия компонентов беспроводных локальных сетей, таких как точки доступа и радиоплаты, выполненные в различных форм-факторах. Для получения сертификата на свои изделия компания должна стать членом Альянса Wi-Fi.

Альянс руководствуется утвержденными программами тестирования для сертификации изделий на предмет обеспечения взаимодействия с другими сертифицированными Wi-Fi-компонентами. После того как изделие успешно протестировано, его производитель получает право использовать логотип «Сертифицировано Wi-Fi» для каждого отдельного изделия, а также на его упаковке и инструкции по применению.

Сертификация Wi-Fi дает клиентам уверенность в том. что они приобрели компоненты беспроводной локальной сети, соответствующие требованиям обеспечения взаимодействия с изделиями многих других производителей. Логотип «Wi-Fi» на изделии означает, что оно соответствует требованиям тестирования на совместимость и наверняка сможет совместно работать с Wi-Fi-сертифицированными изделиями других поставщиков.

Механизм WEP не обеспечивает достаточного уровня безопасности для большинства приложений, выполняемых в беспроводных локальных сетях предприятий.

Поскольку в нем используется статический ключ, WEP легко взломать, используя уже имеющиеся программные средства. Это побуждает менеджеров информационных технологий использовать более динамичные формы WEP.

Однако эти улучшенные механизмы защиты являются патентованными, что затрудняет обеспечение их поддержки клиентскими устройствами от других поставщиков. Поэтому Альянс Wi-Fi предпринял значительные усилия для эффективной стандартизованной защиты беспроводных локальных сетей, определив механизм WPA как обеспечивающий взаимодействие сетей. При использовании WPA сетевая среда, образуемая радиоплатами интерфейса сети разных типов стандарта 802.11, может пользоваться преимуществами расширенных форм шифрования.

беспроводной сеть интерфейс протокол

2.5 HiperLAN/2

Стандарт HiperLAN/2, за которым стоит стандарт на высокопроизводительную локальную радиосеть (high performance radio LAN), представляет собой стандарт на беспроводную локальную сеть, разработанный Подразделением широкополосного доступа к сетям по радиоканалу (broadband radio access networks (BRAN) division) Европейского института стандартизации электросвязи (European Telecommunications Standards Institute, ETSI). Этот стандарт регламентирует применение эффективной, высокоскоростной технологии беспроводных локальных сетей, которая удовлетворяет всем требованиям принятых в Европе регулятивных правил распределения спектра[3].