Беспроводные сети - "Компьютер-Информ"

Беспроводные сети
газета "Компьютер-Информ"

Сергей Шутов, author@ci.ru

Продолжаем рассмотрение локальных компьютерных сетей. В этом номере мы рассмотрим беспроводные сети на основе стандартов IEEE 802.11 (Wi-Fi, Wireless Fidelity) и IEEE 802.16 (WiMAX), которые у нас пока не так сильно распространены, как в остальном мире, но, надеемся, что это всего лишь вопрос времени.

Причинами успеха беспроводных широкополосных сетей стали три основополагающих фактора:
• Открытость в большинстве стран диапазонов частот 2,4 ГГц и 5 ГГц для свободного, нелицензируемого использования.
• Четкая стандартизация используемых технологий и протоколов, обеспечивающих передачу данных.
• Наличие сертифицирующих органов, гарантирующих соответствие аппаратуры всем этим стандартам.

Стандарт IEEE 802.11

В 1990 году комитет по стандартам IEEE 802 сформировал рабочую группу по стандартам для беспроводных локальных сетей 802.11. Эта группа занялась разработкой всеобщего стандарта для радиооборудования и сетей, работающих на частоте 2,4 ГГц, со скоростями доступа 1 и 2 Мб/с. Работы по созданию стандарта были завершены через 7 лет, и в июне 1997 года была ратифицирована первая спецификация 802.11.
В 1999 году было создано расширение предыдущего стандарта — IEEE 802.11b. Оно определило стандарт для продуктов беспроводных сетей, которые работают на скорости 11 Мб/с.

Физический уровень IEEE 802.11

На физическом уровне определены два широкополосных радиочастотных метода передачи и один — в инфракрасном диапазоне. Радиочастотные методы работают в ISM-диапазоне 2,4 ГГц и обычно используют полосу 83 МГц от 2,4 ГГц до 2,483 ГГц. Технологии широкополосного сигнала, используемые в радиочастотных методах, увеличивают надежность, 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 (DSSS) и метод частотных скачков (FHSS). Эти методы кардинально отличаются и несовместимы друг с другом.
При использовании метода передачи в инфракрасном диапазоне ИК-передатчик излучает сигнал в потолок. После излучения сигнал отражается и принимается приемниками. Плюс метода в том, что нет необходимости в прямой видимости между приемником и передатчиком. Минус — нужен специальный потолок, который отражал бы сигнал в заданном диапазоне частот. К тому же максимальное расстояние ограничено 10 метрами. ИК-метод поддерживает две скорости передачи данных — 1 и 2 Мб/с (рис. 1).

При использовании метода частотных скачков полоса 2,4 ГГц делится на 79 каналов по 1 МГц. Отправитель и получатель согласовывают схему переключения каналов, и данные посылаются последовательно по различным каналам с использованием этой схемы. Схемы разработаны таким образом, чтобы минимизировать шансы того, что два отправителя будут использовать один и тот же канал одновременно. Метод FHSS ограничен максимальной скоростью 2 Мб/с.
Метод DSSS делит диапазон 2,4 ГГц на 14 частично перекрывающихся каналов. Для того, чтобы несколько каналов могли использоваться одновременно, необходимо, чтобы они не перекрывались (для исключения взаимных помех). Данные пересылаются с использованием одного канала без переключения на другие. Для борьбы с шумами используется 11-битная последовательность Баркера, когда каждый бит данных пользователя преобразуется в 11 бит передаваемых данных. Такая высокая избыточность позволяет существенно повысить надежность передачи. Правда, за это приходится расплачиваться снижением скорости.
В стандарте 802.11b появилась поддержка двух новых скоростей передачи данных — 5,5 и 11 Мб/с. Для достижения этих скоростей был выбран метод DSSS, так как метод FHSS не может работать со скоростями выше 2 Мб/с. Поэтому, если вы хотите использовать сети 802.11 и 802.11b совместно, для 802.11 должен использоваться метод DSSS.
802.11a работает, с точки зрения конечного пользователя, так же, как 802.11b, за исключением того, что он использует диапазон в зоне 5 ГГц, вместо 2,4, и имеет пиковую пропускную способность 54 Мб/с вместо 11. Более высокая частота хороша тем, что 802.11a работает вне диапазона 2,4 ГГц, который может оказаться занятым. Если у вас много шумов в диапазоне 2,4 ГГц (например, микроволновые печи в каждом углу), 802.11a может оказаться намного эффективнее, чем 802.11b.

MAC-уровень IEEE 802.11

Для избежания коллизий 802.11 использует протокол, известный как CSMA/CA. CSMA/CA пытается избежать коллизий путем использования подтверждения пакета и работает таким образом: станция, желающая отправить пакет, прослушивает канал, и, если он свободен, отправляет пакет. Принимающая станция, получив пакет, отправляет обратно подтверждение. Если первая станция не получает подтверждения, она начинает посылку заново, через случайный промежуток времени.
Для определения того, является ли канал свободным, используется алгоритм оценки чистоты канала (CCA). Его суть заключается в измерении энергии сигнала на антенне и определения мощности принятого сигнала. Если мощность сигнала ниже определенного порога, то канал объявляется свободным. Если мощность выше порогового значения, передача данных задерживается.
Также, MAC-уровень 802.11 предоставляет возможность расчета CRC и фрагментации пакетов. Каждый пакет имеет свою контрольную сумму CRC, которая рассчитывается и прикрепляется к пакету. Фрагментация пакетов позволяет разбивать большие пакеты на более мелкие при передаче по радиоканалу, что полезно в тех случаях, когда существуют значительные помехи, так как у меньших пакетов меньше шансы быть поврежденными (рис. 2).

Подключение к сети

Когда клиент 802.11 попадает в зону действия одной или нескольких точек доступа, он на основе мощности сигнала и наблюдаемого значения количества ошибок выбирает одну из них и подключается к ней. Как только клиент получает подтверждение того, что он принят точкой доступа, он настраивается на радиоканал, в котором она работает. Время от времени он проверяет все каналы 802.11, чтобы посмотреть, не предоставляет ли другая точка доступа службы более высокого качества. Если такая точка доступа находится, то станция подключается к ней, перенастраиваясь на ее частоту.
Переподключение обычно происходит в том случае, если станция была физически перемещена вдаль от точки доступа, что вызвало ослабление сигнала. В других случаях повторное подключение происходит из-за изменения радиочастотных характеристик здания или просто из-за большого сетевого трафика через первоначальную точку доступа.
При низкой силе сигнала адаптер 802.11b будет автоматически понижать скорость связи для обеспечения надежности соединения. Альтернативные скорости включают 5 Мб/с, 2 Мб/с и 1 Мб/с. Для увеличения дальности возможно применение усиливающих антенн. При точной ориентации антенны возможна работа IEEE 802.11b на расстоянии более 10 км.

Управление питанием

MAC-уровень 802.11 поддерживает энергосберегающие режимы для продления срока службы батарей мобильных устройств. Стандарт поддерживает два режима потребления энергии, называемые «режим продолжительной работы» и «сберегающий режим». В первом случае радио всегда находится во включенном состоянии, в то время как во втором случае радио периодически включается через определенные промежутки времени для приема «маячковых» сигналов, которые постоянно посылает точка доступа. Эти сигналы включают в себя информацию относительно того, какая станция должна принять данные. Таким образом, клиент может принять маячковый сигнал, принять данные, а затем вновь перейти в «спящий» режим.

Безопасность

802.11b обеспечивает механизмы шифрования, известные как Wired Equivalent Privacy (WEP), целью которых является обеспечение беспроводной сети средствами безопасности, эквивалентными средствам безопасности проводных сетей. Когда включен WEP, он защищает только пакет данных, но не защищает заголовки физического уровня, так что другие станции в сети могут просматривать данные, необходимые для управления сетью. Для контроля доступа в каждую точку доступа помещается так называемый ESSID, без знания которого мобильная станция не сможет подключиться к точке доступа. Дополнительно точка доступа может хранить список разрешенных MAC-адресов, разрешая доступ только тем клиентам, чьи MAC-адреса находятся в списке.
Для шифрования данных стандарт предоставляет возможности шифрования с использованием алгоритма RC4 с 40-битным разделяемым ключом. После того как станция подключается к точке доступа, все передаваемые данные могут быть зашифрованы с использованием этого ключа. Когда используется шифрование, точка доступа будет посылать зашифрованный пакет любой станции, пытающейся подключиться к ней. Клиент должен использовать свой ключ для шифрования корректного ответа для того, чтобы аутентифицировать себя и получить доступ в сеть.
Но, к сожалению, эти схемы шифрования эффективны лишь для предотвращения случайного прослушивания, они слишком слабы для отражения атаки опытного хакера. Хотя эти схемы шифрования считаются довольно стойкими, 64-битное шифрование можно взломать в считанные минуты, а 128-битное, несмотря на то, что эта схема намного устойчивее, также может быть взломано при должном старании. Так что всю конфиденциальную информацию, передающуюся по таким сетям необходимо шифровать, по безопасности сети IEEE 802.11 аналогичны Интернет.
Если вас не сильно заботит утечка данных, но вы все же хотите обезопасить сеть от проникновения посторонних людей, в большинство продуктов встроены дополнительные средства. Доступ к сети может быть ограничен по MAC-адресам или посредством аутентификации пользователей. И опять же, все это надежно лишь до поры до времени, пока кто-нибудь не скопирует эти средства.

Безопасность излучения

Так как мобильные станции и точки доступа являются СВЧ-устройствами, у многих возникают вопросы по поводу безопасности использования компонентов Wave LAN. Известно, что чем выше частота радиоизлучения, тем опаснее оно для человека. Антенны мобильных устройств и точек доступа являются источниками высокочастотного излучения, и хотя мощность излучаемого сигнала очень невелика, все же не следует находиться в непосредственной близости от работающей антенны. Как правило, безопасным расстоянием является расстояние порядка десятков сантиметров от приемо-передающих частей. И, вообще, к сетям IEEE 802.11 следует относиться так же, как к микроволновым печам, так как они работают примерно на тех же частотах (рис. 3).

Стандарт IEEE 802.11g

IEEE 802.11g — 2,4-ГГц стандарт WLAN, который может обеспечивать пропускную способность до 54 Мб/с при работе совместно с другим оборудованием 802.11g, и также может работать с устройствами 802.11b. Утвержден летом 2003 г.

Спецификация IEEE 802.11n

Институт IEEE ведет работу над созданием новой спецификации протокола связи в беспроводных локальных сетях (WLAN). 802.11n работает вдвое быстрее, чем 54-Мб «g» и «a»: на скорости от 100 Мб/c. Новый стандарт уравняет проводные и беспроводные системы, что позволит использовать беспроводные сети там, где ранее это было невозможно или невыгодно.
Определение скоростных характеристик для стандарта «n» будет более строгим, чем у «g» или «b». Оно основывается на фактической скорости передачи файлов и потоков, а не на размере низкоуровневого трафика, снабженного множеством служебных заголовков. Ускорение достигается за счет оптимального использования частотного диапазона, аналоговых радиочипов, выполненных по улучшенной CMOS-технологии и интеграции WLAN-адаптера в один чип.

IEEE 802.11d, e, f, h, i

Деятельность органов стандартизации не ограничивается физическим уровнем: существуют специальные рабочие группы, которые занимаются такими аспектами, как гарантированное качество обслуживания (QoS), информационная безопасность и т. д.
Стандарт 802.11d определяет требования к передаче информации из точек доступа на пользовательские устройства по разрешенным радиоканалам и с допустимым уровнем мощности сигнала. Работа над этими требованиями к настоящему времени завершена, и стандарт утвержден.
Стандарт 802.11е (мультимедиа и качество обслуживания) определяет классы обслуживания для передачи данных, речи и видеоизображений.
Стандарт 802.11f содержит рекомендации по применению протоколов обмена информацией между точками доступа.
IEEE 802.11h, пополнит возможности стандарта IEEE 802.11а функциями управления мощностью передатчика (ТРС) и динамического выбора частоты (DFS).
Стандарт 802.11i содержит описание новых функций, предназначенных для защиты информации.

ETSI HiperLAN2

Разрабатываемый Европейским институтом стандартизации в области электросвязи (ETSI), стандарт HiperLAN2 (High Perfomance Radio LAN) является конкурентом технологий беспроводных сетей 802.11. Инициаторами и активными сторонниками нового стандарта являются компании Nokia и Ericsson.
Так же, как и 802.11а, стандарт HiperLAN2 ориентирован на работу в диапазоне 5 ГГц и способен обеспечить скорость передачи данных до 54 Мб/с. Оба стандарта используют сходные методы модуляции сигнала — OFDM, однако имеют различные спецификации протоколов доступа к среде MAC. Если для 802.11а он аналогичен Ethernet, то в HiperLAN2 больше напоминает АТМ. Другим отличием HiperLAN2 от 802.11а, которое может дать ему некоторое преимущество над конкурентом, это поддержка трафика мультимедиа и QoS.

Стандарт IEEE 802.16 (WiMAX)

В начале 2000 г. для изучения различных решений и выработки единых правил построения систем широкополосной беспроводной связи в IEEE был создан рабочий комитет 802.16. Первоначально он сосредоточился на вопросах стандартизации систем в диапазоне 28–30 ГГц, однако вскоре полномочия комитета были распространены на область частот от 2 до 66 ГГц и в его составе образовано несколько рабочих групп.
Группа 802.16.1 разрабатывает спецификации радиоинтерфейса для систем, использующих диапазон 10–66 ГГц. Рабочая группа 802.16.2 занимается вопросами «сосуществования» сетей фиксированного широкополосного доступа в нелицензируемых диапазонах 5–6 ГГц (например, 802.11а). Наконец, группа 802.11.3 готовит спецификации радиоинтерфейса для лицензируемых систем диапазона 2–11 ГГц.
Стандарты разрабатываются на базе единой эталонной модели, объединяющей интерфейсы трех типов в тракте связи между абонентскими устройствами или сетями и транспортной сетью (Интернет). Первый радиоинтерфейс определяет взаимодействие абонентского приемо-передающего узла с базовой станцией, второй включает в себя два компонента, охватывающие обмен сигналами между радиоузлами и находящимися за ними сетями — абонентской и транспортной. Спецификации третьего, дополнительного, радиоинтерфейса определяют использование повторителей или отражателей для увеличения зоны охвата системы и обхода препятствий на пути распространения сигнала.

Bluetooth

Дословно Bluetooth переводится как «голубой зуб». Не пугайтесь, никакого отношения к зубам этот стандарт не имеет. Просто таким было прозвище сурового датского короля. Первоначально Bluetooth задумывался как средство для простого соединения компьютеров и телекоммуникационных устройств, вроде мобильных телефонов. Но технология оказалась настолько удачной, что стала применяться повсеместно, даже на кухне (рис. 4).

Итак, это высокоскоростной микроволновый стандарт, позволяющий передавать данные на расстоянии до 10 метров (Bluetooth 1.1 — до 100 м). Работает Bluetooth на частоте 2,4 ГГц и способен одновременно соединять до 8 устройств. Этот стандарт не требует никаких навыков у пользователя: как только Bluetooth-устройства сближаются на определенное расстояние, они тут же обмениваются информацией и устанавливают небольшую локальную сеть. Модуль Bluetooth невелик и потребляет около 1 мВт энергии, что не очень много даже для мобильных устройств.
К сожалению, недостаток правильно написанных программ и драйверов для Bluetooth-устройств создает ситуацию, когда разрекламированная простота его использования вырастает в большую проблему. С сетями Wi-Fi и WiMAX, к примеру, таких проблем нет. Поэтому стоит не один раз подумать, прежде чем создавать сеть на основе Bluetooth.

При подготовке статьи использовались материалы с сайтов iXBT и Wireless.ru