32

Р.Г. МУФТИЕВ, В.Х. Хасанов.,

Закирьянова Г.Т.

УФА 2011

УФА 2011

Министерство образования и науки

Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

УфимскИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) РОССИЙСКОГО

ГОСУДАРСТВЕННОГО ТОРГОВО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО

УНИВЕРСИТЕТА

Муфтиев Р.Г., Хасанов В.Х., Закирьянова Г.Т.

БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ

Монография

Уфа – 2011

УДК 681.3.

ББК 65.39 Х24

Рецензенты:

Хамидуллин Я.Н., д-р физ.-мат. наук, профессор УИ(ф) РГТЭУ.

Романченко А.Ф., д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «САПР» УГАЭС.

Муфтиев Р.Г., Хасанов В.Х., Закирьянова Г.Т.

Х24 Беспроводные сети: Монография / Р.Г. Муфтиев, В.Х. Хасанов, Г.Т. Закирьянова – Уфа: Уфимский институт (филиал) российского государственного торгово-экономического университета, 2011. – 233 с.

В монографии рассматриваются основные вопросы внедрения беспроводных и спутниковых сетей в повседневную жизнь и в электронный бизнес. Это - основные понятия и категории беспроводных информационных технологий; вопросы внедрения Wi-Fi, WiMax и спутниковых технологий в повседневную жизнь и в электронный бизнес; обеспечения безопасности беспроводных сетей; влияния этих технологий на окружающую среду. Раскрываются важные понятия и термины, а также даются ответы на актуальные вопросы. Материал включает содержательные схемы и рисунки, способствующие систематизированному восприятию, пониманию и запоминанию. Монография изложена простым и ясным языком, позволяющим эффективно и легко осваивать изложенный материал.

Монография предназначена для специалистов области информационных технологий, а также для преподавателей ВУЗ(ов) и студентов, изучающих дисциплины «Информатика», «Информационные технологии управления», «Информационные системы в экономике» и «Компьютерные сети».

© Муфтиев Р.Г., Хасанов В.Х.,

Закирьянова Г.Т. 2011 г.

© Уфимский институт (филиал)

российского государственного

торгово-экономического университета, 2011 г.

ISBN

© Компьютерная верстка и дизайн - РИО УИ(ф)РГТЭУ, 2011 г.

СОДЕРЖАНИЕ Стр.
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. БЕСПРОВОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ Wi-Fi
1.1.Техническое обеспечение сетей WLAN
1.2. Режимы и особенности организации технологии Wi-Fi
1.2.1. Режим Ad Hoc
1.2.2. Инфраструктурный режим
1.2.3. Режимы WDS и WDS WITH AP
1.2.4. Режим повторителя
1.2.5. Режим клиента
1.3. Организация и планирование беспроводных сетей
1.3.1. Офисная сеть
1.3.2. Роуминг в беспроводных сетях
1.3.3. Сеть между несколькими офисами
1.3.4. Предоставление бесплатного гостевого доступа
1.3.5. Платный доступ в Интернет, организация hot-spot
1.3.6. Для чего технология Wi-Fi не предназначена
ГЛАВА 2. БЕСПРОВОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ WIMAX
2.1. Цели и задачи WiMAX
2.2. Принципы работы WiMAX
2.3. Режимы работы
2.4. Антенны WIMAX
2.5. Отношение «сигнал-шум» в цифровых системах связи
ГЛАВА 3.УГРОЗЫ И РИСКИ БЕЗОПАСНОСТИ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ
3.1. Подслушивание
3.2. Отказ в обслуживании
3.3. Глушение клиентской или базовой станций
3.4. Угрозы криптозащиты
3.5. Основы криптографии
3.6. Протоколы безопасности беспроводных сетей
3.6.1. Механизм шифрования WEP
3.6.2. Потоковое шифрование
3.6.3. Блочное шифрование
3.6.4. Вектор инициализации
3.6.5. Шифрование с обратной связью
3.6.6. Уязвимость шифрования WEP
3.6.7. Проблемы управления статическими WEP-ключами
3.7. Аутентификация в беспроводных сетях
3.8. Спецификация WPA
ГЛАВА 4.СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
4.1. Принцип работы
4.2. Технические детали работы систем
4.3. Коммерциализация ГЛОНАСС
ГЛАВА 5. СПУТНИКОВЫЕ СЕТИ
5.1. Беспроводная среда и ее преимущества
5.2. Беспроводные радиоканалы наземной и спутниковой связи
5.3. Спутниковые каналы связи
5.4. Сотовые каналы связи и сети
5.5. Радиопередача в узком диапазоне
5.6. Радиопередача в рассеянном спектре
5.7. Микроволновые сети и системы
5.8. Беспроводные сети на инфракрасном излучении
5.9. Лазерные сети
5.10. Оборудование беспроводных и спутниковых сетей
5.11. Спутниковые технологии
5.11.1. Глобальная система определения координат
5.11.2. Спутниковые охранные комплексы
5.11.3. Спутниковое телевидение 5.11.4. Глобальные спутниковые системы связи (ГССС)
5.11.5. Система VSAT
5.11.6. Спутниковый Интернет
5.11.7. Спутниковые мультисервисные сети
5.12. Мультисервисное оборудование спутниковых сетей
5.12.1. Земные станции спутниковой связи
5.12.2. Антенные системы
5.12.3. Усилители мощности, преобразователи и трансиверы
5.12.4. Спутниковые модемы и терминалы
5.12.5. Преобразователи частоты (ПЧ)
5.12.6. Системы управления спутниковыми сетями
5.13. Глобальная спутниковая система связи Globalstar
5.14. Технология VSAT
5.15. Оборудование для наземного сегмента спутникового Интернета
5.16. Протоколы множественного доступа
5.17. Маршрутизация в спутниковых сетях
5.18. Транспортные протоколы в спутниковых сетях
5.19. Международные консорциумы в ССС
ГЛАВА 6. БЕСПРОВОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И РЕСТОРАННО-ГОСТИНИЧНЫЙ БИЗНЕС
6.1. Wi-Fi - технология в торговле и в ресторанном бизнесе
6.2. Беспроводная технология и гостиничный, туристический бизнес
ГЛАВА 7. БЕСПРОВОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
7.1.Wi-Fi и окружающая среда
7.2. Wi-Fi разрушает деревья
7.3. Wi-Fi и пчелы
7.4. Wi-Fi и здоровье школьников
7.5. Мобильники и медицинские приборы
7.6. Молния и IPod
Заключение
Список литературы
Словарь сокращений

ВВЕДЕНИЕ

В повседневной жизни любого из нас окружает цифровое информационное пространство и потоки. Без соответствующей технологии хранения, обработки и передачи человек не в состоянии обработать такой объем информации, принимать верные и оптимальные управленческие решения.

Важное значение имеют факторы мобильности и быстроты принятия управленческих решений. Все это послужило причиной создания беспроводных информационных технологий и способов передачи информации. Быстрый рост популярности беспроводных сетей вполне объясним: не нужно возиться с постоянно путающимися под ногами проводами, прост в использовании и не очень дорогой. При этом беспроводные способы передачи информации постоянно совершенствуются - скорость их растет, а степень безопасности повышается. В идеале хотелось бы видеть единый мировой стандарт, охватывающий все новации, и чтобы все мобильные устройства могли работать с таким стандартом. Беспроводные сети развиваются разными компаниями, придумывающими собственные стандарты.

Мир информации уже сегодня предлагает целую систему беспроводной технологии: Bluetooth-соединение, Wi-Fi и WiMax технологии.

Wi-Fi (Wireless Fidelity). Это технология высокоскоростного беспроводного обмена информацией на радиочастотах. Была разработана консорциумом Wi-Fi Alliance. На сегодняшний день обеспечивает скорость обмена свыше 54 Мбит/сек.

WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Эта телекоммуникационная система разработана с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для многих устройств – от рабочих станций, ноутбуков, нетбуков и карманных персональных компьютеров до мобильных сотовых телефонов. Пока сети WiMax, в силу сложности оборудования и достаточно дорогого обслуживания, используются лишь крупными коммуникационными корпорациями. Хотя есть планы развертывания WiMax в крупных городах. Не так давно было объявлено об открытии первых точек доступа WiMax в Москве. По состоянию на 2008 год практически все крупнейшие мировые операторы связи, в том числе и отечественные, следят за развитием WiMax. А основные игроки мирового рынка, такие как Sprint, British Telecommunications и Etisalat, уже планируют создать собственные сети WiMax. Беспроводная технология может быть особенно полезной:

1. В помещениях с большим скоплением народа (например, в приемной);

2. Для людей, у которых нет постоянного рабочего места (например, для врачей или медсестер);

3. В изолированных помещениях и зданиях;

4. В помещениях, где планировка часто меняется;

5. В строениях (например, памятниках истории или архитектуры), где прокладывать кабель запрещено;

6. При автоматизации ресторанно-гостиничного бизнеса и торговли, где требуется быстрота и мобильность при обслуживании клиента.

Поистине революционным может оказаться внедрение в повседневную жизнь спутниковых сетей и систем позиционирования GPS, ГЛОНАСС. Уже сегодня производятся спутниковые навигаторы, поддерживающие стандарты GPS и ГЛОНАСС для автомобильного, морского и речного транспорта, частного пользователя. Среди спутниковых технологий особенное внимание привлекает развитие технологий спутниковой связи типа VSAT. На основе VSAT оборудования возможно построение мультисервисных сетей, предоставляющих практически все современные услуги связи: доступ в Интернет, телефонную связь, объединение локальных сетей, передачу аудио и видеоинформации, резервирование существующих каналов связи, сбор данных, мониторинг, удаленное управление промышленным объектами и многое другое.

Глава 1. Беспроводная технология Wi-Fi

Wi-Fi - это современная беспроводная технология объединения компьютеров в локальную сеть, подключения их к глобальной сети Internet. Дословно переводится как беспроводная привязанность (связь, верность или точность). Благодаря этой технологии Internet становится мобильным, дает пользователю свободу перемещения не только в пределах комнаты, но и по всему миру. Вы сможете пользоваться компьютером так же, как мобильным телефоном. Не нужны провода, можно взять ноутбук и войти в Internet практически всюду. Уже сегодня Wi-Fi может быть использована для объединения подсетей отдельных зданий, например центрального офиса и филиалов, там, где прокладка кабеля между зданиями нежелательна или невозможна. Для организации связи между зданиями могут использоваться внешние беспроводные точки, работающие в режиме моста. Через uplink-порт внешняя точка подключается к обычному коммутатору и через него обеспечивает связь со всеми компьютерами подсети. Внешние беспроводные точки должны иметь водонепроницаемый термостатированный корпус, систему грозовой защиты, систему питания Power-over-Ethernet. Благодаря сменной антенне можно обеспечить устойчивую радиосвязь на расстоянии до нескольких километров на специализированные узконаправленные антенны. При организации внешней беспроводной связи особое внимание обращают на обеспечение безопасности передачи данных, в связи с ее большей уязвимостью как при прослушивании, так и в случае прямого физического воздействия. Поэтому рекомендуется использовать точки доступа, специально предназначенные для наружного применения и позволяющие задействовать аутентификацию, контроль доступа и шифрование передаваемых данных. Необходимо также обратить внимание на то, что для внешних точек предусмотрена более сложная процедура получения разрешений на использование частот. Wi-Fi также может применяться в гостиницах, в ресторанном бизнесе, в решении задач управления центральным офисом, супермаркетами и складским комплексом торгового предприятия. Она удобна, если торговая компания имеет сеть мобильных подразделений, сотрудников и часто арендует производственные помещения или имеет целую сеть летних кафе.

1. Техническое обеспечение сетей wlan

WLAN - Wireless Local Area Network. Переводится как беспроводная локальная компьютерная сеть. WLAN - это сети, использующие вместо обычных проводов радиоволны. Благодаря функции роуминга между точками доступа пользователи могут перемещаться по территории покрытия сети Wi-Fi без разрыва соединения. Перед кабельными имеют следующие преимущества: WLAN-сеть монтируется быстро, что удобно для работы вне офиса; возможность пользователей мобильных устройств, при подключении к WLAN-сетям, перемещаться в рамках действия роуминга; достаточно высокая скорость (до 108 Мб/с) передачи данных, что позволяет использовать их для решения очень широкого спектра задач; WLAN-сеть может оказаться единственным выходом, если невозможна прокладка кабеля обычной сети.

Вместе с тем необходимо помнить об ограничениях беспроводных сетей. Это меньшая скорость, подверженность влиянию помех и более сложная схема обеспечения безопасности передаваемой информации. Сегмент WLAN-сети может использоваться как самостоятельная сеть, либо в составе более сложной сети, содержащей беспроводные и обычные проводные сегменты.

В основе технологии беспроводной передачи данных в сети лежит разработанный фирмой Symbol Technologies стандарт Spectrum 24, имеющий официальное название IEEE802.11. Подобно традиционным проводным технологиям, Wi-Fi объединяет устройства в единую сеть, обеспечивает доступ к серверам базы данных, позволяет проводить Internet обслуживание пользователя и совместно использовать сетевое оборудование.

Для построения беспроводной сети используются Wi-Fi адаптеры и точки доступа. Wi-Fi адаптер (рис.1.2) представляет собой устройство, которое подключается через слот расширения PCI, PCMCI, CompactFlash. Существуют также адаптеры с подключением через порт USB 2.0.

Wi-Fi адаптер выполняет ту же функцию, что и сетевая карта в проводной сети. Он служит для подключения компьютера пользователя к беспроводной сети. Благодаря платформе Centrino все современные ноутбуки имеют встроенные адаптеры Wi-Fi, совместимые со многими современными стандартами. Wi-Fi адаптерами также снабжены и карманные персональные компьютеры, что также позволяет подключать их к беспроводным сетям. Для доступа к беспроводной сети адаптер может устанавливать связь непосредственно с другими адаптерами (рис. 1.1). Такая сеть называется беспроводной одноранговой сетью или Ad Hoc («к случаю»).

Рис.1.1 Режим работы беспроводной сети Ad Hoc

Теоретически в одной сети в режиме Ad-Hoc могут работать до 256 устройств, но приемлемая скорость обмена данными достигается при наличии не более 6-8 устройств. Адаптер также может устанавливать связь через специальное устройство - точку доступа. Такой режим называется инфраструктурой. Для выбора способа подключения адаптер должен быть настроен на использование либо Ad Hoc, либо инфраструктурного режима.

Точка доступа (рис.1.3) представляет собой автономный модуль со встроенным микрокомпьютером и приемно-передающим устройством.

Рис.1.2. Адаптеры

Через точку доступа осуществляется взаимодействие и обмен информацией между беспроводными адаптерами, а также связь с проводным сегментом сети. Таким образом, точка доступа играет роль коммутатора.

Рис.1.3. Точка доступа

Точка доступа имеет сетевой интерфейс (uplink port), при помощи которого она может быть подключена к обычной проводной сети. Через этот же интерфейс может осуществляться и настройка. Точка доступа может использоваться как для подключения к ней клиентов (базовый режим точки доступа), так и для взаимодействия с другими точками доступа с целью построения распределенной сети (Wireless Distributed System - WDS). Это режимы беспроводного моста "точка-точка" и "точка - много точек", беспроводный клиент и повторитель. Доступ к сети обеспечивается путем передачи широковещательных сигналов через эфир. Принимающая станция может получать сигналы в диапазоне работы нескольких передающих станций. Станция-приемник использует идентификатор зоны обслуживания (Service Set Identifier - SSID) для фильтрации получаемых сигналов и выделения того, который ей нужен. Зоной обслуживания (Service Set - SS) называются логически сгруппированные устройства, обеспечивающие подключение к беспроводной сети. Базовая зона обслуживания (Basic Service Set - BSS) - это группа станций, которые связываются друг с другом по беспроводной связи. Технология BSS предполагает наличие особой станции, которая называется точкой доступа (Access Point).

Маршрутизаторы с точкой доступа. Выпускаются устройства, объединяющие в одном корпусе маршрутизатор и беспроводную точку доступа. Как правило, точка доступа в таком устройстве не может работать в режимах беспроводного моста, репитера и беспроводного клиента. В остальном такое комбинированное устройство по функциям аналогично связке из маршрутизатора и простой точки доступа. Обычно маршрутизаторы с точкой доступа используют, когда подключаемый беспроводной сегмент должен выходить во внешнюю сеть через один IP-адрес. Часто в таких устройствах есть 4 порта Ethernet для подключения проводных устройств. Можно подключить компьютеры, не имеющие адаптеров Wi-Fi, или сетевой принтер. Примеры маршрутизаторов с точкой доступа: D-Link DI-624+; TRENDnet TEW431BRP; Linksys WRT54G. Основные технические характеристики этих устройств:

1. Стандарты IEEE 802.11b и IEEE 802.11g;

2. 4 порта Ethernet: UTP/STP RJ-45,10/100 Мбит/с;

3. Поддержка кабельных модемов и модемов xDSL;

4. Безопасность WEP, WPA и контроль доступа по МАС-адресам;

5. Встроенный DHCP-сервер.

Некоторые модели маршрутизаторов с точкой доступа оснащаются встроенным принт-сервером, что дает возможность подключить обычный принтер и использовать его как сетевой. В качестве примеров таких устройств можно назвать D-Link DI-724+ и D-Link DI-824VUP+.

ADSL-модемы с точкой доступа. Следующей ступенью эволюции устройств стало добавление к маршрутизатору с точкой доступа ADSL модема. Получилась конструкция «три в одном», законченное решение для подключения малого или домашнего офиса к Интернету через ADSL-канал. Такое комбинированное устройство можно считать аналогом связки из трех отдельных устройств: ADSL-модема, маршрутизатора и простой точки доступа.

Подобные устройства стали чрезвычайно популярными из-за появления провайдеров ADSL-доступа в Интернет, ориентированных на массовый рынок. Примеры ADSL-модемов с точкой доступа: D-Link DSL-G604T; TRENDnet TEW-435BRM; Linksys WAG54G. Важные технические характеристики ADSL-модема с точкой доступа:

1. Совместимость с ADSL: G.dmt и G.lite;

2. Поддержка РРРоЕ, РРРоА;

3. Соответствие стандарту IEEE 802.11g (54 Мбит/с);

4. Безопасность WEP, WPA, контроль доступа по МАС-адресам;

5. Функции трансляции сетевых адресов (NAT) и проверки пакетов (SPI) для защиты от DOS-атак;

6. Наличие встроенного DHCP-сервера;

7. Поддержка DMZ, виртуальных серверов и правил брандмауэра, VPN;

8. Легкость настройки и администрирования.

Беспроводные принт-серверы. Обычный принт-сервер позволяет нескольким пользователям сети Ethernet совместно использовать один принтер. Беспроводной принт-сервер дает возможность установить совместно используемый принтер в том месте, где свободного порта Ethernet поблизости нет. Принт-серверы выполняются в виде самостоятельных устройств, имеющих параллельный или USB-порт для подключения принтера, либо в виде модулей, которые устанавливаются непосредственно в принтер. Существуют модели принт-серверов, к которым можно одновременно подключать несколько принтеров. Не все модели принтеров могут работать через принт-сервер. В частности, сетевую печать не поддерживают принтеры, использующие GDI (Graphic Device Interface) или WPS (Windows Printing System). Такие принтеры используют вычислительные ресурсы процессора компьютера и работают только при непосредственном подсоединении к порту компьютера. Поэтому перед приобретением принт-сервера уточните, будет ли с ним работать ваш принтер. Примеры беспроводных принт-серверов, поддерживающих стандарт 802.11g: D-Link DP-G310, с одним портом USB; D-Link DP-G321, с двумя портами USB и одним LPT; Linksys WPS54G, с одним портом USB.

Принт-серверы часто встраивают в маршрутизаторы. Примерами таких устройств служат беспроводные маршрутизаторы со встроенным принт-сервером D-Link DI-724P+ и DI-824VUP+. Это удобное решение для построения сети в небольшом офисе или квартире, когда подключение к Интернету делается через Ethernet-сеть поставщика услуг - вся сеть строится на одном-единственном устройстве.

Беспроводные видеокамеры. Системы видеонаблюдения позволяют удаленно наблюдать за домом, офисом, складом, магазином. Важным преимуществом камер видеонаблюдения, работающих в беспроводной сети, является возможность установки в любом месте. Для организации системы охранного видеонаблюдения беспроводные видеокамеры являются самодостаточными устройствами. Они могут работать автономно, без подключения к компьютеру. Примером беспроводной видеокамеры является продукт компании D-Link - модель DCS-3220G. Она позволяет наблюдать за объектом, прослушивать и передавать звук на внешний громкоговоритель. Оснащена встроенным Web-сервером, микрофоном для захвата звука, детектором движения с возможностью записи при обнаружении движения. Специализированное программное обеспечение позволяет просматривать одновременно до 16 камер. Изображение со звуком записывается на жесткий диск автоматически или по команде пользователя Предусмотрена отправка сообщений о происшествиях на заданный адрес электронной почты. Камеру можно подключить к внешним датчикам сигнализации. Наиболее популярной на сегодняшний день беспроводной видеокамерой является модель DCS-3220G, поддерживающий стандарт 802.11g со скоростью передачи данных до 54 Мбит/с.

Мультимедийные проекторы. Очень удобны при использовании в конференц-залах, когда сам проектор установлен под потолком или на специальной стойке, а докладчик использует свой ноутбук. Можно показывать презентацию без помощи кабелей, находясь со своим ноутбуком на расстоянии нескольких метров от проектора. Не придется делать паузы для подключения докладчиков к проектору. Наиболее предпочтительные на сегодняшний день: Toshiba TLP-T720U; Panasonic PT-L735NTE; Epson EMP-735.

Беспроводные медиаплееры. Это сетевые устройства, позволяющие организовывать обмен аудио- и видео-потоками информации между компьютером и домашним развлекательным центром. Медиаплеер включает все

необходимое для доступа к мультимедийным файлам персонального компьютера, проигрывания музыки и просмотра с помощью телевизора или музыкального центра. Они также позволяют организовывать доступ к радиостанциям, вещающим через Интернет. Примеры беспроводных медиаплееров:

SMC EZ-Stream Universal SMCWMR-AG; D-Link DSM-320.

Антенны. Антенна - устройство для излучения и приема электромагнитных волн. Электромагнитные колебания высокой частоты, создаваемые генератором, передающей антенной преобразовываются в электромагнитные волны и излучаются в пространство. В приемной антенне происходит обратный процесс. Для подключения антенны к передатчику или приемнику используются антенные кабели и фидерные устройства. Одна и та же антенна может работать как в режиме приема, так и передачи сигнала. Более подробно о свойствах антенн рассмотрим в следующих главах монографии.