Беспроводные  сети

Беспроводная  среда весьма привлекательна, так  как ее компоненты:

• ·               обеспечивают временное подключение к существующей кабельной сети;
• ·               помогают организовать резервное копирование в существующую кабельную сеть;
• ·               гарантируют определенный уровень мобильности;
• ·               позволяют снять ограничения на максимальную протяженность сети, накладываемые медными или даже оптоволоконными кабелями.

Типы беспроводных сетей

В зависимости  от технологии беспроводные сети можно разделить на три типа:

• ·               локальные вычислительные сети;
• ·               расширенные локальные вычислительные сети;
• ·               мобильные сети (переносные компьютеры).

    Основные  различия между этими типами сетей  — параметры передачи. Локальные и расширенные локальные вычислительные сети используют передатчики и приемники, принадлежащие той организации, в которой функционирует сеть. Для переносных компьютеров в качестве среды передачи сигналов выступают АТ&Т, МС Sprint, местные телефонные компании и их общедоступные службы.

Локальные вычислительные сети

Типичная  беспроводная сеть выглядит и функционирует  практически так же, как обычная, за исключением среды передачи. Беспроводной сетевой адаптер с трансивером  установлен в каждом компьютере, и пользователи работают так, будто их компьютеры соединены кабелем.

Точки доступа обеспечивают обмен сигналами между компьютерами с беспроводным подключением и остальной сетью. 

Беспроводной  переносной компьютер  подключается к точке  доступа

Беспроводные  локальные сети используют четыре способа  передачи данных:

• ·               инфракрасное излучение;
• ·               лазер;
• ·               радиопередачу в узком спектре (одночастотная передача);
• ·               радиопередачу в рассеянном спектре.

Инфракрасное излучение

Все инфракрасные беспроводные сети используют для передачи данных инфракрасные лучи. В подобных системах необходимо генерировать очень  сильный сигнал, так как в противном  случае значительное влияние будут  оказывать другие источники, например окна.

Этот  способ позволяет передавать сигналы  с большой скоростью, поскольку  инфракрасный свет имеет широкий  диапазон частот. Инфракрасные сети способны нормально функционировать на скорости 10 М бит/с.

    Существует  четыре типа инфракрасных сетей.

• ·               Сети прямой видимости.

Как говорит само название, в таких  сетях передача возможна лишь в случае прямой видимости между передатчиком и приемником.

• ·               Сети на рассеянном инфракрасном излучении.

При этой технологии сигналы, отражаясь от стен и потолка, в конце концов, достигают приемника. Эффективная область ограничивается примерно 30 м (100 футами), и скорость передачи невелика (так как все сигналы отраженные).

• ·               Сети на отраженном инфракрасном излучении.

В этих сетях оптические трансиверы, расположенные рядом с компьютером, передают сигналы в определенное место, из которого они переадресуются соответствующему компьютеру.

• ·               Широкополосные оптические сети.

Эти инфракрасные беспроводные сети предоставляют широкополосные услуги. Они соответствуют жестким требованиям мультимедийной среды и практически не уступают кабельным сетям.

    Хотя  скорость и удобство использования  инфракрасных сетей очень привлекательны, возникают трудности при передаче сигналов на расстояние более 30 м (100 футов). К тому же такие сети подвержены помехам со стороны сильных источников света, которые есть в большинстве организаций.

Лазер

Лазерная  технология похожа на инфракрасную тем, что требует прямой видимости  между передатчиком и приемником. Если по каким-либо причинам луч будет прерван, это прервет и передачу.

Радиопередача в узком спектре (одночастотная передача)

Этот  способ напоминает вещание обыкновенной радиостанции. Пользователи настраивают  передатчики и приемники на определенную частоту. При этом прямая видимость необязательна, площадь вещания составляет около 46 500 м² (500 000 квадратных футов).

Сигнал  высокой частоты, который используется, не проникает через металлические  или железобетонные преграды.

Радиопередача в рассеянном спектре

При этом способе сигналы передаются в  некоторой в полосе частот, что  позволяет избежать проблем связи, присущих одночастотной передаче.

      Доступные частоты разделены  на каналы, или интервалы. Адаптеры  в течение предопределенного  промежутка времени настроены на установленный интервал, после чего переключаются на другой интервал. Переключение всех компьютеров в сети синхронно.

    Чтобы защитить данные от несанкционированного доступа, применяют кодирование.

    Скорость  передачи в 250 Кбит/с (килобит в секунду) относит данный способ к разряду самых медленных. Но есть сети, построенные на его основе, которые передают данные со скоростью до 2 Мбит/с на расстояние до 3,2 км — на открытом пространстве и до 120 м — внутри здания.

Передача «точка-точка»

    Данный способ передачи несколько выходит за рамки существующего определения сети. Технология передачи «точка-точка» предусматривает обмен данными только между компьютерами, в отличие от взаимодействия между несколькими компьютерами и периферийными устройствами. Однако, чтобы организовать сеть с беспроводной передачей, надо использовать дополнительные компоненты, такие, как одиночные и хост-трансиверы. Их можно устанавливать как на автономных компьютерах, так и на компьютерах, подключенных к сети.

    Эта технология, основанная на последовательной передаче данных, обеспечивает:

• ·               высокоскоростную и безошибочную передачу, применяя радиоканал «точка-точка»;
• ·               проникание сигнала через стены и перекрытия;
• ·               скорость передачи от 1,2 до 38,4 Кбит/с на расстояние до 60 м — внутри здания и на 530 м — в условиях прямой видимости.

    Подобные  системы позволяют передавать сигналы  между компьютерами, между компьютерами и другими устройствами, например принтерами или сканерами штрих-кода.

Мобильные сети

    В беспроводных мобильных сетях в  качестве среды передачи выступают  телефонные системы и общественные службы. При этом используются:

• ·               пакетное радиосоединение;
• ·               сотовые сети;
• ·               спутниковые станции.

    Работники, которые постоянно находятся в разъездах, могут воспользоваться этой технологией: имея при себе переносные компьютеры или РDА (Personal Digital Assistants), они будут обмениваться электронной почтой, файлами и другой информацией.

    Такая форма связи удобна, но довольно медленна. Скорость передачи — от 8 Кбит/с до 28,8 Кбит/с. А если запущена система коррекции ошибок, скорость становится еще меньше.

    Для подключения переносных компьютеров  к основной сети применяют беспроводные адаптеры, использующие технологию сотовой связи. Небольшие антенны, установленные на переносных компьютерах, связывают их с окружающими радиоретрансляторами.

Пакетное радиосоединение

При пакетном радиосоединении данные разбиваются  на пакеты (подобные сетевым пакетам). Пакеты передаются на спутник, который транслирует их в широковещательном режиме. Затем устройства с соответствующим адресом принимают эти пакеты.

Сотовые сети

Сотовые цифровые пакеты данных (Cellular Digital Packet Data, CDPD) используют ту же технологию, что и сотовые телефоны. Они передают данные по существующим для передачи речи сетям в те моменты, когда эти сети не заняты. Это очень быстрая технология связи с задержкой в доли секунды, что делает ее вполне приемлемой для передачи в реальном масштабе времени. 

    Развитие технологии беспроводных сетей: стандарт IEEE 802.11

     Комитет по стандартам IEEE 802 сформировал  рабочую группу по стандартам для  беспроводных локальных сетей 802.11 в 1990 году. Эта группа занялась разработкой  всеобщего стандарта для радиооборудования и сетей, работающих на частоте 2,4 ГГц, со скоростями доступа 1 и 2 Mbps (Megabits-per-second). Работы по созданию стандарта были завершены через 7 лет, и в июне 1997 года была ратифицирована первая спецификация 802.11. Стандарт IEEE 802.11 являлся первым стандартом для продуктов WLAN от независимой международной организации, разрабатывающей большинство стандартов для проводных сетей. Однако к тому времени заложенная первоначально скорость передачи данных в беспроводной сети уже не удовлетворяла потребностям пользователей. Для того, чтобы сделать технологию Wireless LAN популярной, дешёвой, а главное, удовлетворяющей современным жёстким требованиям бизнес-приложений, разработчики были вынуждены создать новый стандарт.

    В сентябре 1999 года IEEE ратифицировал расширение предыдущего стандарта. Названное IEEE 802.11b (также известное, как 802.11 High rate), оно определяет стандарт для продуктов беспроводных сетей, которые работают на скорости 11 Mbps (подобно Ethernet), что позволяет успешно применять эти устройства в крупных организациях. Потребность в беспроводном доступе к локальным сетям растёт по мере увеличения числа мобильных устройств, таких как ноутбуки и PDA, а так же с ростом желания пользователей быть подключенными к сети без необходимости "втыкать" сетевой провод в свой компьютер

    Стандарт IEEE 802.11 и его расширение 802.11b

    Как и все стандарты IEEE 802, 802.11 работает на нижних двух уровнях модели ISO/OSI, физическом уровне и канальном уровне (рис. 1). Любое сетевое приложение, сетевая операционная система, или протокол (например, TCP/IP), будут так же хорошо работать в сети 802.11, как и в сети Ethernet.

    Рис. 1. Уровни модели ISO/OSI и их соответствие стандарту 802.11.

    Основная  архитектура, особенности и службы 802.11b определяются в первоначальном стандарте 802.11. Спецификация 802.11b затрагивает  только физический уровень, добавляя лишь более высокие скорости доступа.

    Режимы  работы 802.11

    Точка Доступа (AP) - это "прозрачный" мост, предоставляющий беспроводной доступ станциям, оборудованным беспроводными сетевыми картами к компьютерам, объединенным в сеть с помощью проводов. С помощью Точек Доступа беспроводные рабочие станции могут быть очень быстро объединены в сеть.

    Ad-hoc сеть - это группа компьютеров, каждый с беспроводным сетевым адаптером, подключенных в самостоятельные сети. Ad-hoc беспроводные сети применимы как для маленьких и домашних офисов, так и для рабочих групп и подразделений.

    802.11 определяет два типа оборудования – клиент, который обычно представляет собой компьютер, укомплектованный беспроводной сетевой интерфейсной картой (Network Interface Card, NIC), и точку доступа (Access point, AP), которая выполняет роль моста между беспроводной и проводной сетями.

    Точка доступа обычно содержит в себе приёмопередатчик, интерфейс проводной сети (802.3), а  также программное обеспечение, занимающееся обработкой данных. В  качестве беспроводной станции может  выступать ISA, PCI или PC Card сетевая карта  в стандарте 802.11, либо встроенные решения, например, телефонная гарнитура 802.11.

    Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети – режим "Ad-hoc" и клиент/сервер (или режим инфраструктуры – infrastructure mode). В режиме клиент/сервер (рис. 2) беспроводная сеть состоит из как минимум одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных оконечных станций. Такая конфигурация носит название базового набора служб (Basic Service Set, BSS).

    BSS ID - Уникальная Ad hoc сеть LAN называется Basic Service Set (BSS). Все компьютеры, находящиеся в BSS должны иметь одинаковый BSS ID.

    Два или более BSS, образующих единую подсеть, формируют расширенный набор  служб (Extended Service Set, ESS). Так как большинству  беспроводных станций требуется получать доступ к файловым серверам, принтерам, Интернет, доступным в проводной локальной сети, они будут работать в режиме клиент/сервер.

    Рисунок 2 - Архитектура сети "клиент/сервер" 

    Режим "Ad-hoc" (также называемый точка-точка, или независимый базовый набор  служб, IBSS) – это простая сеть, в которой связь между многочисленными  станциями устанавливается напрямую, без использования специальной  точки доступа (рис. 3). Такой режим полезен в том случае, если инфраструктура беспроводной сети не сформирована (например, отель, выставочный зал, аэропорт), либо по каким-то причинам не может быть сформирована.

    Рисунок 3 -  Архитектура сети "Ad-hoc"

    Физический  уровень 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 2,400 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.

    В качестве протокола МАС уровня используется механизм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) - множественный доступ с прослушиванием несущей и предотвращением коллизий.

    Форматы пакетов, используемых в беспроводных сетях, отличаются от форматов пакетов традиционного Ethernet, в первую очередь – большей длиной заголовка пакета и большей максимальной длиной информационной части пакета (2312 байт вместо 1500).

    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.

    Таким образом, CSMA/CA предоставляет способ разделения доступа по радиоканалу. Механизм явного подтверждения эффективно решает проблемы помех. Однако он добавляет  некоторые дополнительные накладные  расходы, которых нет в 802.3, поэтому  сети 802.11 будут всегда работать медленнее, чем эквивалентные им Ethernet локальные сети.

    Рисунок 4 - Иллюстрация проблемы "скрытой точки".

    Другая  специфичная проблема MAC-уровня – это проблема "скрытой точки", когда две станции могут обе "слышать" точку доступа, но не могут "слышать" друг друга, в силу большого расстояния или преград (рис. 4). Для решения этой проблемы в 802.11 на MAC уровне добавлен необязательный протокол Request to Send/Clear to Send (RTS/CTS). Когда используется этот протокол, посылающая станция передаёт RTS и ждёт ответа точки доступа с CTS. Так как все станции в сети могут "слышать" точку доступа, сигнал CTS заставляет их отложить свои передачи, что позволяет передающей станции передать данные и получить ACK пакет без возможности коллизий. Так как RTS/CTS добавляет дополнительные накладные расходы на сеть, временно резервируя носитель, он обычно используется только для пакетов очень большого объёма, для которых повторная передача была бы слишком дорогостоящей.

    Изменения, внесённые 802.11b

    Основное  дополнение, внесённое 802.11b в основной стандарт – это поддержка двух новых скоростей передачи данных – 5,5 и 11 Mbps.

    Подключение к сети

    MAC уровень 802.11 несёт ответственность за то, каким образом клиент подключается к точке доступа. 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 её частоту (рис. 5).

    Рис. 5. Подключение к сети и иллюстрация правильного назначения каналов для точек доступа.

    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. В последнем случае эта функция протокола известна как "балансировка нагрузки", так как её главное назначение – распределение общей нагрузки на беспроводную сеть наиболее эффективно по всей доступной инфраструктуре сети.

    Процесс динамического подключения и  переподключения позволяет сетевым  администраторам устанавливать  беспроводные сети с очень широким  покрытием, создавая частично перекрывающиеся "соты". Идеальным вариантом является такой, при котором соседние перекрывающиеся точки доступа будут использовать разные DSSS каналы, чтобы не создавать помех в работе друг другу (Рис. 5).

    Поддержка потоковых данных

    Потоковые данные, такие как видео или голос, поддерживаются в спецификации 802.11 на MAC уровне посредством Point Coordination Function (PCF).

    Управление  питанием

    Дополнительно по отношению к управлению доступом к носителю, 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 определённые промежутки времени для приёма "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 контроль доступа  на MAC уровне (второй уровень в  модели ISO/OSI), и механизмы шифрования, известные как Wired Equivalent Privacy (WEP), целью которых является обеспечение беспроводной сети средствами безопасности, эквивалентными средствам безопасности проводных сетей.