diplov / 1Розділ. Теорчастина

Розділ 1 Теоретична частина

На зорі розвитку радіотехніки термін "безпровідний" (wireless) використовувався для позначення радіозв'язку в широкому сенсі цього слова, тобто буквально у всіх випадках, коли передача інформації здійснювалася без проводів. Пізніше це тлумачення практично вийшло з обігу, і "безпровідний" стало вживатися як еквівалент терміну "радіо". Зараз обидва поняття вважаються взаємозамінними в тому випадку, якщо мова йде про діапазоні частот від 3 кГц до 300 ГГц. Проте термін "радіо" частіше використовується для опису вже давно існуючих технологій (радіомовлення, супутниковий зв'язок , радіолокація , радіотелефонний зв'язок і т. д.). А термін "безпровідний" в наші дні прийнято відносити до нових технологій радіозв'язку, таким, як мікростільникова і стільниковий телефонія, абонентський доступ і т. п.

Розробка технології Wi-Fi (Wireless Fidelity) почалася більше 15 років тому. Ініціатором та координатором робіт виступив комітет з стандартизації локальних мереж IEEE 802 (Institute of Electrical and Electronic Engineers). У 1990 році за вказівкою комітету була організована спеціальна робоча група, до завдань якої входила розробка першого повноцінного стандарту безпровідних локальних мереж. На створення готового продукту знадобилося цілих сім років, і лише в 1997 році новоспечений стандарт IEEE 802.11 був представлений широкій публіці. Втім, споживачі зустріли першу версію Wi-Fi без особливого ентузіазму – проблема полягала в тому, що на розробку технології пішло непростимо багато часу, і до моменту презентації стандарт встиг помітно застаріти. Крім досить низької пропускної здатності, що не перевищує 2 Мбіт/с (що тоді вже було просто смішно для локальної мережі), мало кого могло влаштувати посередню якість зв'язку, надмірна повільність, при цьому ціна на обладнання могла запросто зашкалювати за кілька тисяч доларів.

Проте сама ідея безпровідного доступу в Інтернет і до ресурсів локальної мережі всередині офісу, готелю, вокзалу або аеропорту була більшістю оцінена гідно. У кожному разі, розробники не збиралися зупинятися. Другий стандарт, 802.11b, розширив діапазон швидкостей до 11 Мбіт/с і створив справжній бум на ринку безпровідних технології та продовжує використовуватись і в наш час. Третій стандарт 802.11а розширив діапазон швидкостей до 54 Мбіт/с, що збільшило сферу застосування безпровідних мереж. Але він функціонує в іншому частотному діапазоні і не сумісний з стандартом 802.11b, який вже набув широкого поширення. Тому виникли певні проблеми при розширенні вже наявних мереж на базі стандарту 802.11b в сторону збільшення швидкості. Наступний крок еволюції технологій Wi-Fi почався влітку 2003 року, коли розробники закінчили наступну версію стандарту - 802.11g, що сполучає в собі переваги попередніх двох редакцій. На даний момент велика частина сучасного обладнання, орієнтованого на роботу з Wi-Fi, оснащується модулями 802.11g, і при цьому готується до виходу чергова специфікація - 802.11n. У ній нам обіцяють як мінімум дворазове збільшення максимальної швидкості в порівнянні з 802.11a і 802.11g

Але розвиток технологій не стоїть на місті. Вже наступного року на зміну Wi-Fi 802.11n прийде його нова, швидкісна "версія" (802.11ac), яка забезпечує втричі більшу швидкість. І хоча до прийняття супершвидко Wi-Fi як стандарту залишається ще багато часу , на полицях магазинів вже з'явилися сумісні з ним роутери, ноутбуки і смартфони.

Отже, в чому ж відмінність 802.11aс від поширеного нині 802.11n ?

● Найголовніше в тому , що новий Wi-Fi пропонує втричі більшу швидкість ( в теорії , 1,3 гігабіт проти 450 мегабіт в секунду), що позитивно позначиться на потокової медіа (зокрема, HD-відео ), мобільних іграх і передачі даних. Сучасний 802.11n дає максимальну швидкість 150 Мбіт/с від однієї антени, 300 від двох і 450 від трьох . У 802.11ac ці показники на порядок вище : 450/900/1, 3 Гбіт/с відповідно. А швидкість у 802.11ac - сумісних апаратів, що мають відразу 8 антен , зможе досягати цілих 7 Гбіт/c.

● Інша корисність гигабитного Wi-Fi - більш широкої діапазон покриття і більш стабільний сигнал, які дозволять покрити всю квартиру за допомогою одного маршрутизатора.

● Електроніка зі "старим " Wi-Fi працює на переповненій частоті 2,4 ГГц , розділяючи її з планшетом, сусіднім монітором або навіть мікрохвильовкою та іншими приладами. Тому ще одна перевага 802.11ac - усунення перешкод за рахунок переходу на більш ефективний для передачі даних діапазон 5 ГГц ( у смугах частот від 80 до 160 мегагерц ).

● Процес переходу до 802.11aс розтягнеться на кілька років , тому в пристроях з новим Wi-Fi буде передбачена зворотна сумісність зі застаріваючими стандартами.

Паралельно з 802.11ac розвивається ще один перспективний стандарт - 802.11ad (неофіційна назва - WiGig ). На відміну від 802.11ac, ця технологія працює на дуже високій центральній частоті (60 ГГц), що не дозволяє їй пропускати сигнал крізь стіни. Недолік WiGig це те, що можна буде підключати пристрої, які знаходяться досить близько один до одного (в межах декількох метрів). Але WiGig забезпечує швидкість до 7 гігабіт на секунду, тобто майже в 50 разів більше, ніж 802.11n. Область застосування стандарту - підключення моніторів зовнішніх жорстких дисків і іншої периферії.

Таблиця 14.1 Параметри мереж стандартів ІЕЕЕ 802.11х

Параметри	ІЕЕЕ 802.11a	ІЕЕЕ 802.11b	ІЕЕЕ 802.11g	ІЕЕЕ 802.11n
	В закритих приміщеннях: 12 м. (54 Мбіт/с) 91 м. (6 Мбіт/с)	В закритих приміщеннях: 30 м. (11 Мбіт/с) 91 м. (1 Мбіт/с)	В закритих приміщеннях: 30 м. (54 Мбіт/с) 91 м. (1 Мбіт/с)	В закритих приміщеннях: 30 м. (150 Мбіт/с) 91 м. (50 Мбіт/с)
Відстань та швидкість передачі даних	Відкрите приміщення, пряма видимість: 30 м. (54 Мбіт/с) 305 м. (6 Мбіт/с)	Відкрите приміщення, пряма видимість: 120 м. (11 Мбіт/с) 460 м. (1 Мбіт/с)	Відкрите приміщення, пряма видимість: 120 м. (54 Мбіт/с) 460 м. (1 Мбіт/с)	Відкрите приміщення, пряма видимість: 120 м. (300 Мбіт/с) 460 м. (100 Мбіт/с)

Крім основних стандартів 802.11a, b, g, n, існують і використовуються додаткові стандарти для реалізації різних сервісних функцій:

• 802.11d. Для адаптації різних Wi-Fi-пристроїв до специфічних умов країни. В держав частотні діапазони часто розрізняються і можуть бути відмінні навіть у залежно від географічного положення. Стандарт IEEE 802.11d дозволяє регулювати смуги частот в пристроях різних виробників за допомогою спеціальних опцій, введених в протоколи управління доступом до середовища передачі.

• 802.11e. Описує класи якості QoS для передачі різних медіафайлів і, в цілому різного медіаконтенту. Адаптація МАС-рівня для 802.11e, визначає якість, наприклад, одночасної передачі звуку і зображення.

• 802.11f . Спрямований на уніфікацію параметрів Wi-Fi-точок доступу різних виробників. Стандарт дозволяє користувачеві працювати з різними мережами при переміщенні між зонами дії окремих мереж .

•802.11h. Використовується для запобігання створення проблем метеорологічним і військовим радарам шляхом динамічного зниження випромінюваної потужності Wi-Fi обладнанням або динамічний перехід на інший частотний канал при виявленні тригерного сигналу (у більшості європейських країн наземні станції стеження за метеорологічними супутниками і супутниками зв'язку, а також радари військового призначення працюють в діапазонах, близьких до 5 МГц). Цей стандарт є необхідною вимогою ETSI, що пред'являються до обладнання, допущеному для експлуатації на території країн Європейського Союзу.

•802.11i. У перших варіантах стандартів 802.11 для забезпечення безпеки мереж Wi-Fi використовувався алгоритм WEP. Передбачалося, що цей метод може забезпечити конфіденційність і захист переданих даних авторизованих користувачів безпроводової мережі від прослуховування. Тепер цей захист можна зламати всього за кілька хвилин. Тому в стандарті 802.11i були розроблені нові методи захисту мереж Wi-Fi, реалізовані як на фізичному, так і програмному рівнях. В даний час для організації системи безпеки в мережах 802.11 рекомендується використовувати алгоритми Wi-Fi Protected Access (WPA). Вони також забезпечують сумісність між безпроводовими пристроями різних стандартів і різних модифікацій. Протоколи WPA використовують удосконалену схему шифрування RC4 і метод обов'язкової аутентифікації з використанням EAP. Стійкість і безпека сучасних мереж Wi-Fi визначається протоколами перевірки конфіденційності та шифрування даних ( RSNA, TKIP, CCMP, AES). Найбільш рекомендованим підходом є використання WPA2 з шифруванням AES (і не забувайте про 802.1х із застосуванням, дуже бажано, механізмів тунелювання, наприклад EAP-TLS , TTLS тощо).

• 802.11k. Цей стандарт фактично спрямований на реалізацію балансування навантаження в радіопідсистеми мережі Wi-Fi. Зазвичай в безпроводової локальної мережі абонентський пристрій зазвичай з'єднується з тією точкою доступу, яка забезпечує найбільш сильний сигнал. Нерідко це призводить до перевантаження мережі в одній точці, коли до однієї точці доступу підключається відразу багато користувачів. Для контролю подібних ситуацій в стандарті 802.11k запропоновано механізм, що обмежує кількість абонентів, що підключаються до однієї точці доступу, і дає можливість створення умов, при яких нові користувачі будуть приєднуватися до іншої ТД навіть не дивлячись на більш слабкий сигнал від неї. У цьому випадку агрегованих пропускна здатність мережі збільшується завдяки більш ефективному використанню ресурсів .

• 802.11m. Поправки та виправлення для всієї групи стандартів 802.11 об'єднуються підсумовуються в окремому документі із загальною назвою 802.11m. Перший випуск 802.11m був в 2007 г, далі в 2011 г і т.д. .

• 802.11p . Визначає взаємодію Wi-Fi-обладнання, що рухається зі швидкістю до 200 км/год повз нерухомих ТД, віддалених на відстань до 1 км. Частина стандарту Wireless Access in Vehicular Environment (WAVE). Стандарти WAVE визначають архітектуру і додатковий набір службових функцій та інтерфейсів, які забезпечують безпечний механізм радіозв'язку між рухомими транспортними засобами.

• 802.11r. Визначає швидкий автоматичний роумінг Wi-Fi-пристроїв при переході із зони покриття однієї Точки Доступу до зони покриття іншої. Цей стандарт орієнтований на реалізацію мобільності. До появи цього стандарту при русі користувач часто втрачав зв'язок з однією точкою доступу, був змушений шукати іншу і заново виконувати процедуру підключення. Це займало багато часу. Існували приватні рішення проблеми роумінгу (хендоверів) між пристроями, наприклад від CCKM від Cisco. Пристрої з підтримкою 802.11r можуть зареєструватися заздалегідь з сусідніми Точками Доступу і виконувати процес переключення в автоматичному режимі.

• 802.11s. Стандарт для реалізації повнозв'язних мереж (Wireless Mesh), де будь-який пристрій може служити як маршрутизатором, так і ТД. Якщо найближча точка доступу перевантажена, дані перенаправляються до найближчого не завантаженого вузлу. При цьому пакет даних передається від одного вузла до іншого, поки не досягне кінцевого місця призначення.

• 802.11t. Стандарт створений для інституалізації процесу тестування рішень IEEE802.11. Описуються методики тестування, способи вимірювань і обробки результатів, вимоги до випробувального обладнання.

• 802.11u. Визначає процедури взаємодії мереж Wi-Fi із зовнішніми мережами. Стандарт повинен визначати протоколи доступу, протоколи пріоритету і заборони на роботу із зовнішніми мережами.

Фізичний та канальний рівні

Физический и канальный уровень

Физический уровень состоит из двух подуровней:

• PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) - выполняет процедуру отображения PDU уровня MAC (элемента протокола данных, сравните срис. 2.25) во фрейм формата FHSS или DSSS (см. раздел "Проблемы беспроводных сетей и пути их решения"). Эта процедура выполняет передачу, обнаружение несущей и прием сигнала;

• PMD (Physical Medium Dependent) - "подуровень, зависящей от среды передачи". Этот уровень будет различным для разных скоростей передачи и разных стандартов из серии 802.11. Подуровень PMD обеспечивает данные и сервис для подуровня PLCP и функции радиопередачи и приема, результатом которых является поток данных, информация о времени, параметры приема.

Основным рабочим состоянием уровней PLCP является обнаружение несущей и оценка незанятости канала. Для выполнения передачи PLCP переключает PMD из режима "прием" в режим "передача" и посылает элемент данных PPDU (PLCP Data Unit).

Физический уровень выполняет скремблирование, кодирование и чередование (см. раздел "Проблемы беспроводных сетей...").

Передача сигналов по радиоканалу выполняется двумя методами: FHSS и DSSS (см. раздел "Проблемы беспроводных сетей и пути их решения"). При этом используется дифференциальная фазовая модуляция DBPSK и DQPSK (см. "Методы модуляции несущей") с применением кодов Баркера, комплементарных кодов (CCK - Complementary Code Keying) и технологии двойного сверточного кодирования (PBCC) [Рошан].

Wi-Fi 802.11g на скорости  1 и 2 Мбит/с использует модуляцию DBPSK. При скорости передачи 2 Мбит/с используются те же метод, что и при скорости 1 Мбит/с, однако для увеличения пропускной способности канала используется 4 разных значения фазы (0, ) для фазовой модуляции несущей.

Протокол 802.11b, использует дополнительно скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с. На этих скоростях передачи вместо кодов Баркера используются комплементарные коды (CCK).

Wi-Fi использует метод доступа к сети CSMA/ CA (см. раздел "Проблемы беспроводных сетей и пути их решения"), в котором для снижения вероятность коллизий использованы следующие принципы:

• прежде, чем станция начнет передачу, она сообщает, как долго она будет занимать канал связи;

• следующая станция не может начать передачу, пока не истечет зарезервированное ранее время;

• участники сети не знают, принят ли их сигнал, пока не получат подтверждение об этом;

• если две станции начали работать одновременно, они смогут узнать об этом только по тому факту, что не получат подтверждение о приеме;

• если подтверждение не получено, участники сети выжидают случайный промежуток времени, чтобы начать повторную передачу.

Предотвращение, а не обнаружение коллизий, является основным в беспроводных сетях, поскольку в них, в отличие от проводных сетей, передатчик трансивера заглушает принимаемый сигнал.

Формат фрейма на уровне PLCP модели OSI (табл. 2.17) в режиме FHSS показан на рис. 2.44. Он состоит из следующих полей:

• "Синхрониз." - содержит чередующиеся нули и единицы. Служит для подстройки частоты на принимающей станции, синхронизирует распределение пакетов и позволяет выбрать антенну (при наличии нескольких антенн);

• "Старт" - флаг начала фрейма. Состоит из строки 0000 1100 1011 1101, которая служит для синхронизации фреймов на принимающей станции;

• " PLW" - "Psdu Length Word" - "слово длины служебного элемента данных PLCP", PSDU - "PLCP Service Data Unit" - элемент данных подуровня PLCP; указывает размер фрейма, поступившего с уровня MAC, в октетах;

• "Скорость" - указывает скорость передачи данных фрейма;

• "КС" - контрольная сумма;

• "MAC-фрейм" - фрейм, поступивший с MAC-уровня модели OSI и содержащий PSDU;

• "Заголовок PLCP" - поля, добавленные на подуровне PLCP.

Рис. 2.44. Формат фрейма PLCP для режима FHSS

Формат фрейма на уровне PLCP модели OSI (табл. 2.17) в режиме DSSS показан на рис. 2.45. В нем поля имеют следующий смысл:

• "Синхрониз." - содержит только единицы и обеспечивает синхронизацию в приемной станции;

• "Старт" - флаг начала фрейма. Содержит строку 0 xF3A0, которая указывает начало передачи параметров, зависящих от физического уровня;

• "Сигнал" - указывает тип модуляции и скорость передачи данного фрейма;

• "Сервис" - зарезервировано для будущих модификаций стандарта;

• "Длина" - указывает время в микросекундах, необходимое для передачи MAC-фрейма;

• "КС" - контрольная сумма;

• "MAC-фрейм" - фрейм, поступивший с MAC-уровня модели OSI и содержащий PSDU;

• "Заголовок PLCP" - поля, добавленные на подуровне PLCP.

Рис. 2.45. Формат фрейма PLCP для режима DSSS

Дальность связи средствами Wi-Fi сильно зависит от условий распространения электромагнитных волн, типа антенны и мощности передатчика. Типовые значения, указываемые изготовителями Wi-Fi  оборудования, составляют 100-200 м в помещении и до нескольких километров на открытой местности с применением внешней антенны и при мощности передатчика 50...100 мВт. Вместе с тем, по сообщению германского еженедельника "Сomputerwoche" во время соревнований по дальности связи была зафиксирована связь на расстоянии 89 км с применением стандартного оборудования Wi-Fi стандарта IEEE 802.11b (2,4 ГГц) и спутниковых антенн ("тарелок"). В книге рекордов Гиннеса зафиксирована также Wi-Fi связь на расстоянии 310 км с применением антенн, поднятых на большую высоту с помощью воздушных шаров.

Архитектура

Архитектура сети Wi-Fi

Стандарт IEEE 802.11 устанавливает три варианта топологии сетей:

• независимые базовые зоны обслуживания (Independent Basic Service Sets, IBSS);

• базовые зоны обслуживания (Basic Service Sets, BSS);

• расширенные зоны обслуживания (Extended Service Sets, ESS).

Под зоной обслуживания здесь понимается набор логически сгруппированных устройств. Каждая зона обслуживания имеет свой идентификатор (Service Set Identifier, SSID). Станция-приемник использует SSID для определения того, из какой зоны обслуживания приходит сигнал.

В архитектуре IBSS станции связываются непосредственно одна с другой, без использования точки доступа и без возможности подсоединения к проводной локальной сети. Зона обслуживания SSID используется обычно для объединения в сеть малого количества станций, поскольку в ней не предусмотрена возможность ретрансляции сигнала для увеличения дальности связи и механизмы для решения проблемы скрытого узла (см. рис. 2.37).

При использовании BSS станции общаются другом с другом через общий центральный узел связи, называемый точкой доступа. Точка доступаобычно подключается к проводной локальной сети Ethernet.

Расширенная зона обслуживания получается при объединении нескольких BSS в единую систему посредством распределительной системы, в качестве которой может выступать проводная сеть Ethernet.