TBS / 332_53_УП_Технологии беспроводных сетей
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ
Т.И. Алиев, Л.А. Муравьева-Витковская, В.В. Соснин
Технологии беспроводных сетей
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2010
Алиев Т.И., Муравьева-Витковская Л.А., Соснин В.В. Технологии беспроводных сетей. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – 127 с.
В пособии, содержащем три раздела, излагаются современные технологии беспроводных сетей. В первом разделе формулируются основные понятия и определения, используемые при изложении материала, и излагаются общие принципы построения беспроводных сетей, режимы их функционирования, структурные особенности, классификацию беспроводных сетей по различным признакам, методы доступа к беспроводной среде передачи данных. Во втором разделе рассматриваются стандарты персональных, локальных, региональных и глобальных беспроводных сетей. Последний раздел посвящен вопросам исследования беспроводных сетей с использованием методов аналитического и имитационного моделирования.
Пособие предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника», а также для выпускников, подготавливающих выпускные квалификационные работы. Пособие может быть полезным для аспирантов и специалистов в области телекоммуникационных и компьютерных сетей.
Рекомендовано к печати Советом факультета компьютерных технологий и управления ___ _______ 2010 г., протокол № __
В 2009 году СПбГУ ИТМО стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены ведущие
университеты России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет».
©Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2010
© Алиев Т.И., Муравьева-Витковская Л.А., Соснин В.В., 2010
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................... |
6 |
Раздел 1. Принципы организации беспроводных сетей.................................. |
8 |
1.1. Основные понятия и терминология ................................................... |
8 |
1.1.1. Словарь терминов......................................................................... |
8 |
1.1.2. Достоинства и недостатки беспроводных сетей...................... |
11 |
1.1.3. Перспективы развития беспроводных сетей............................ |
12 |
1.2. Состав и оборудование беспроводных сетей.................................. |
13 |
1.2.1. Точки доступа-повторители....................................................... |
13 |
1.2.2. Точки доступа-клиенты.............................................................. |
14 |
1.2.3. Беспроводные мосты .................................................................. |
14 |
1.2.4. Антенны диапазона 2,4 ГГц....................................................... |
16 |
1.3. Режимы работы и топологии беспроводных сетей ........................ |
17 |
1.3.1. Режим инфраструктуры. Базовые зоны обслуживания |
|
(BSS) .......................................................................................... |
17 |
1.3.2.Режим Ad-Hoc. Независимые базовые зоны
обслуживания (IBSS) ............................................................... |
18 |
1.3.3. Режимы WDS и WDS WITH AP ................................................ |
18 |
1.3.4. Топологии беспроводных сетей ................................................ |
21 |
1.4. Классификация беспроводных сетей............................................... |
24 |
1.5. Методы расширения спектра............................................................ |
33 |
1.5.1.Метод расширения спектра скачкообразным
изменением частоты (FHSS) ................................................... |
33 |
1.5.2.Метод прямого последовательного расширения
спектра (DSSS) |
......................................................................... |
|
|
35 |
1.6. Методы доступа к среде беспроводной передачи данных ............ |
37 |
|||
1.6.1. Уплотнение с пространственным разделением (Space |
|
|||
Division Multiplexing - SDM)................................................... |
|
|
37 |
|
1.6.2. Уплотнение с частотным разделением (Frequency |
|
|||
Division Multiplexing - FDM)................................................... |
|
|
37 |
|
1.6.3. Уплотнение с временным разделением (Time Division |
|
|||
Multiplexing - TDM) ................................................................. |
|
|
38 |
|
1.6.4. Уплотнение с кодовым разделением (Code Division |
|
|||
Multiplexing - CDM) ................................................................. |
|
|
39 |
|
1.6.5. Механизм |
мультиплексирования |
посредством |
|
|
ортогональных |
несущих |
частот |
(Orthogonal |
|
Frequency Division Multiplexing - OFDM) |
.............................. |
40 |
||
1.6.6. Метод фиксированного доступа................................................ |
|
|
40 |
|
1.6.7. Метод случайного доступа (классическая схема ........Aloha) |
41 |
|||
3
1.6.8. Метод множественного доступа с детектированием |
|
несущей (Carrier Sense Multiple Access - CSMA).................. |
41 |
1.6.9. Метод множественного доступа с детектированием |
|
несущей и предотвращением конфликтов (Carrier |
|
Sense Multiple Access with Collision Avoidance - |
|
CSMA/CA)................................................................................. |
42 |
1.6.10. Метод множественного доступа с цифровым |
|
детектированием (Digital Sense Multiple Access - |
|
DSMA) или с детектированием подавления (Inhibit |
|
Sense Multiple Access - ISMA)................................................. |
43 |
1.6.11. Метод множественного доступа с распределением по |
|
запросу (Demand Assigned Multiple Access - DAMA) .......... |
43 |
1.6.12. Метод множественного доступа с резервированием |
|
пакетов (Packet Reservation Multiple Access - PRMA) .......... |
43 |
Раздел 2. Стандарты беспроводных сетей...................................................... |
45 |
2.1. Беспроводные персональные сети.................................................... |
45 |
2.1.1. Стандарт (технология) Home RF ............................................... |
45 |
2.1.2. Стандарт (технология) IEEE 802.15.1 (Bluetooth).................... |
46 |
2.1.3. Стандарт (технология) IEEE 802.15.3 ....................................... |
50 |
2.1.4. Стандарт (технология) IEEE 802.15.3a (UWB) ........................ |
52 |
2.1.5. Стандарт (технология) IEEE 802.15.4 (ZigBee)........................ |
55 |
2.2. Беспроводные локальные сети.......................................................... |
57 |
2.2.1. Стандарт (технология) IEEE 802.11 .......................................... |
58 |
2.2.2. Стандарт (технология) IEEE 802.11a ........................................ |
60 |
2.2.3. Стандарт (технология) IEEE 802.11b (Wi-Fi)........................... |
60 |
2.2.4. Стандарт (технология) IEEE 802.11d ........................................ |
62 |
2.2.5. Стандарт (технология) IEEE 802.11e ........................................ |
62 |
2.2.6. Стандарт (технология) IEEE 802.11f......................................... |
62 |
2.2.7. Стандарт (технология) IEEE 802.11g ........................................ |
62 |
2.2.8. Стандарт (технология) IEEE 802.11h ........................................ |
64 |
2.2.9. Стандарт (технология) IEEE 802.11i ......................................... |
64 |
2.2.10. Стандарт (технология) IEEE 802.11j ....................................... |
65 |
2.2.11. Стандарт (технология) IEEE 802.11n ...................................... |
65 |
2.2.12. Стандарт (технология) DECT .................................................. |
65 |
2.3. Беспроводные региональные сети.................................................... |
69 |
2.3.1. Стандарты (технологии) группы IEEE 802.16 (WiMAX) ....... |
70 |
2.4. Беспроводные глобальные сети........................................................ |
76 |
2.4.1.Стандарт (технология) IEEE 802.20 (MBWA) .......................... |
78 |
2.4.2. Мобильные сотовые технологии............................................... |
79 |
Раздел 3. Задачи и методы исследования беспроводных сетей связи ......... |
93 |
3.1. Постановка задачи исследования беспроводных сетей ................. |
93 |
3.2. Общие принципы моделирования сложных систем....................... |
94 |
3.3. Принципы разработки моделей беспроводных сетей .................... |
95 |
3.3.1. Классификация математических моделей................................ |
96 |
3.3.2. Параметризация моделей ........................................................... |
96 |
4
3.4. Базовые модели беспроводных сетей .............................................. |
97 |
3.4.1. Простейшая модель ресурса...................................................... |
97 |
3.4.2. Оценка быстродействия ресурса............................................... |
97 |
3.4.3. Оценка ёмкости накопителя ...................................................... |
98 |
3.4.4. Модели систем с несколькими устройствами.......................... |
99 |
3.4.5. Модели систем с неоднородной нагрузкой............................ |
101 |
3.4.6. Сетевые модели беспроводных сетей..................................... |
101 |
3.5.Цели и задачи имитационного моделирования
беспроводного сегмента транспортной сети................................. |
102 |
3.5.1. Исходные данные для имитационного моделирования |
|
транспортного сегмента корпоративной сети..................... |
103 |
3.5.2. Допущения, принятые при проведении имитационного |
|
моделирования ....................................................................... |
105 |
3.5.3. Концептуальная модель транспортного сегмента |
|
корпоративной сети связи..................................................... |
107 |
3.6. Описание имитационной модели ................................................... |
107 |
3.6.1. Модель мобильной станции..................................................... |
107 |
3.6.2. Модель базовой станции.......................................................... |
110 |
3.6.3. Модель граничного узла........................................................... |
111 |
3.6.4. Параметры имитационной модели.......................................... |
112 |
3.7. Имитационные эксперименты на базовой модели....................... |
113 |
3.7.1. Варьирование законов распределения.................................... |
117 |
3.7.2. Варьирование числа мобильных станций .............................. |
117 |
3.7.3. Изменение соотношения UL/DL ............................................. |
119 |
3.8. Имитационное моделирование БТС КС........................................ |
119 |
3.8.1 Параметризация модели и планирование экспериментов..... |
121 |
3.8.2.Анализ характеристик пакетов, идущих через
перегруженный канал связи.................................................. |
123 |
3.8.3.Анализ характеристик пакетов, идущих через
высоконагруженный канал связи......................................... |
124 |
3.8.4.Анализ характеристик пакетов, идущих через
недогруженный канал связи ................................................. |
125 |
5
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время одним из перспективных направлений развития телекоммуникаций являются беспроводные технологии. Стремительное развитие беспроводных сетей происходит благодаря совершенствованию цифровых информационных и полупроводниковых технологий, сотовой связи, массовому применению персональных компьютеров.
Низкая стоимость, быстрота развертывания, широкие функциональные возможности по передаче данных обеспечивают быстрые темпы развития и внедрения беспроводных персональных, локальных, региональных и глобальных сетей.
Развитие беспроводной связи сопровождается непрерывной сменой технологий, в основе которых лежат стандарты сотовой связи GSM и CDMA, а также стандарты систем передачи данных IEEE 802.
Исторически технологии беспроводной связи развивались по двум независимым направлениям – системы телефонной связи (сотовая связь) и системы передачи данных (Wi-Fi, WiMAX). Но в последнее время наблюдается явная тенденция к слиянию этих функций. Более того, объем пакетных данных в сетях сотовой связи третьего поколения (3G) уже превышает объем голосового трафика, что связано с внедрением новых технологий. В свою очередь, современные беспроводные сети передачи данных обязательно обеспечивают заданный уровень качества услуг (QoS) для различных видов трафика. Реализуется поддержка приоритезации отдельных потоков данных (стандарты IEEE 802.16). В связи с этим само понятие сетей следующего, четвертого, поколения (4G) неразрывно связано с созданием универсальных мобильных мультимедийных сетей, которые должны использоваться не только для сотовой связи, но и для передачи видео, мобильного ТВ, музыки и работы с Интернетом с высокими скоростями и качеством передачи.
Учитывая преимущества беспроводной передачи данных перед проводными линиями связи, можно прогнозировать, что в ближайшие годы беспроводные технологии останутся наиболее актуальными в сфере инфокоммуникаций.
Пособие содержит три раздела. Материал каждого раздела разбит на параграфы, имеющие двойную нумерацию. Некоторые параграфы разбиты на пункты с тройной нумерацией.
Первый раздел содержит основные понятия и определения, касающиеся технологии беспроводных сетей и затрагивает принципы построения беспроводных сетей, режимы их функционирования, структурные особенности, классификацию беспроводных сетей по различным признакам, методы доступа к беспроводной среде передачи данных.
Второй раздел посвящен описанию технологий беспроводных сетей. Последовательно рассматриваются стандарты персональных беспроводных сетей, такие как Home RF, IEEE 802.15.1 (Bluetooth), IEEE 802.15.3, IEEE
6
802.15.3a (UWB), IEEE 802.15.4 (ZigBee); стандарты локальных беспроводных сетей, такие как группа стандартов IEEE 802.11 (Wi-Fi) и стандарт DECT; стандарты региональных беспроводных сетей, такие как стандарты группы IEEE 802.16 (WiMAX); стандарты глобальных беспроводных сетей, такие как IEEE 802.20 (MBWA), стандарт CDMA и мобильные сотовые технологии. Материал представлен в хронологическом порядке, что показывает как устойчиво сохраняющиеся тенденции, преемственность технологий, так и основные направления развития беспроводных сетей.
В третьем разделе рассматриваются теоретические вопросы, связанные с исследованием беспроводных сетей аналитическими и имитационными методами моделирования. Излагаются общие принципы моделирования беспроводных сетей как сложных систем. Формулируются цели и задачи моделирования, описывается этапы исследования фрагмента беспроводной сети на имитационной модели, приводятся выводы по результатам экспериментов и формулируются рекомендации по изменению структурно-функциональных параметров беспроводной сети.
7
Раздел 1. Принципы организации беспроводных сетей
1.1. Основные понятия и терминология
1.1.1. Словарь терминов
Беспроводные сети - это компьютерные сети, построенные на базе беспроводных технологий, в большинстве своем соответствующие стандартам обычных проводных сетей (например, Ethernet).
Беспроводные технологии - подкласс инфокоммуникационных технологий, предназначенный для передачи данных на расстояние без физического соединения между передатчиком и приемником. Для передачи данных может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны, оптическое или лазерное излучение.
Access point (точка доступа) - тип базовой станции, которую беспроводная локальная сеть использует для обеспечения взаимодействия беспроводных пользователей с проводной сетью и осуществления роуминга в пределах здания.
Ad Hoc mode (режим одноранговой сети) - конфигурация беспроводной сети, при которой пользователи могут непосредственно устанавливать соединения между своими устройствами, обходясь без услуг базовой станции. В этом режиме могут работать беспроводные персональные и локальные сети.
Autentificator (Аутентификатор) - в протоколе 802.1х посредник между сервером аутентификации, например RADIUS, и претендентом. В беспроводных сетях обычно размещается на точке доступа; в проводных сетях эту функцию могут выполнять высококлассные коммутаторы.
Bluetooth - часть спецификации 802.15 для беспроводных персональных сетей, разработанная и поддерживаемая группой Bluetooth SIG, которая была основана компаниями Ericsson, Nokia, IBM, Intel и Toshiba.
BSS (Basic Service Set) (Базовый набор служб) - базовая сота в сети 802.11, состоящая из одной точки доступа и присоединившихся к ней клиентов.
ССМР (Counter Mode with CBC MAC) - основанный на алгоритме
AES протокол шифрования, который должен заменить WEP и TKIP. Считается обязательным в спецификации WPA версии 2.
CDMA (Сode Division Multiple Access) - множественный доступ с кодовым разделением каналов. Процесс, при котором каждый пользователь модулирует свои сигналы отличным от других кодом во избежание возникновения взаимных помех.
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) -
протокол второго уровня, применяемый для устранения коллизий в сетях стандарта IEEE 802.11 с множественным доступом с контролем несущей. Станции только тогда пытаются осуществить передачу, когда этого не
8
делает ни одна другая станция сети. В противном случае происходит коллизия, и станции приходится повторно передавать данные.
DCF (Distributed Coordination Function) - распределенная функция координации. Часть стандарта IEEE 802.11, определяющая, как станции должны конкурировать за право доступа к среде передачи. Для регулирования трафика сети DCF использует технологию CSMA.
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - один из двух подходов к передаче радиосигналов с изменяемым спектром. При использовании технологии DSSS поток передаваемых данных разбивается на небольшие кусочки, каждому из которых выделяется широкополосный канал. На передающем конце информационный сигнал комбинируется с последовательностью битов, передаваемых с более высокой скоростью, которая разделяет данные в соответствии с коэффициентом изменения.
ЕАР (Extensible Authentication Protocol) - гибкий протокол аутентификации, первоначально спроектированный для аутентификации в протоколе РРР, а позже включенный в стандарт IEEE 802.1х.
EIRP (Эффективная изотропно излучаемая мощность) - реальная выходная мощность, излучаемая антенной.
ESSID (Extended Service Set ID) - имя, идентифицирующее сеть стандарта IEEE 802.11. Чтобы присоединиться к беспроводной локальной сети, нужно знать ее ESSID.
FDMA (Frequency Division Multiple Access) - множественный доступ с частотным разделением. Процесс, в ходе которого относительно широкий частотный диапазон делится на узкие поддиапазоны. Каждый пользователь передает речь и данные в выделенном для него поддиапазоне.
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) - изменение спектра скачкообразной перестройкой частоты. Один из двух подходов к передаче радиосигнала с изменяемым спектром. Характеризуется тем, что несущая частота псевдослучайным образом "скачет" в пределах определенного диапазона.
FSK (Frequency Shift Keying) - частотная манипуляция. Процесс модуляции, при котором слегка изменяется частота несущего сигнала, за счет чего осуществляется представление данных способом, подходящим для их передачи через воздушную среду.
ICV (Integrity Check Value) (Код контроля целостности) - простая контрольная сумма, вычисляемая для фрейма стандарта IEEE 802.11 перед началом шифрования по протоколу WEP.
Hotspot ("горячая точка") - место, где развернута общедоступная беспроводная локальная сеть. "Горячие точки" располагаются в зонах, где может находиться множество людей с компьютерными устройствами, - таких как аэропорты, гостиницы, дворцы съездов и кафе.
MIC (Message Integrity Check) (Код целостности сообщения) -
алгоритм, используемый в стандарте 802.11i для обеспечения аутентификации и целостности пакетов.
9
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) -
мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам. Процесс, в ходе которого сигнал перед передачей через воздушную среду распределяется по многим поднесущим. Используется с целью повышения характеристик беспроводных локальных сетей стандартов IEEE 802.11а и IEEE 802.11g и в некоторых патентованных беспроводных региональных сетях.
Point-To-Multipoint System (система типа "точка - несколько точек") - система, позволяющая одному пользователю напрямую связываться с несколькими другими.
Point-To-Point System (система типа "точка-точка") - система, в которой связь между двумя пользователями осуществляется напрямую.
Point-To-Point Tunneling Protocol (PPTP) (Двухточечный туннельный протокол) - очень широко распространенный туннельный протокол, запатентованный фирмой Microsoft.
PSK (Phase Shift Keying) - фазовая модуляция. Процесс модуляции, при котором для представления данных используются небольшие изменения фазы несущей, в результате чего возможна передача данных через радиоэфир.
QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - квадратурная амплитудная модуляция. Процесс модуляции, при котором для представления данных используются небольшие изменения фазы и амплитуды несущей, в результате чего передача данных возможна через радиоэфир.
RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service) - служба дистанционной аутентификации пользователей по коммутируемым линиям. Система аутентификации и учета, которую многие поставщики услуг широкополосного доступа к Internet используют для управления доступом к Internet и выписки счетов за пользование беспроводной сетью.
Request-To-Send (RTS) (Запрос на передачу) - тип управляющего фрейма в стандарте IEEE 802.11, применяется в механизме обнаружения виртуальной несущей. Если такой механизм используется в сети стандарта IEEE 802.11, то станция, желающая отправить данные, должна предварительно послать фрейм RTS.
Supplicant (Претендент) - в протоколе стандарта IEEE 802.1х клиентское устройство, нуждающееся в аутентификации.
WDS (Wireless Distribution System) (Беспроводная распределенная система) - элемент беспроводной системы, состоящий из взаимосвязанных базовых наборов служб, которые образуют расширенный набор служб.
WEP (Wired Equivalent Privacy) - в стандарте 802.11
необязательный механизм обеспечения безопасности, в котором для шифрования трафика в беспроводной сети применяется алгоритм RC4.
Wi-Fi (Wireless Fidelity) - процедура сертификации, разработанная организацией Wi-Fi Alliance, которая гарантирует возможность совместной работы различных продуктов, реализующих стандарт IEEE 802.11.
10