Беспроводные локальные сети

Стандарт 802.11 – это стандарт беспроводных сетей (WLAN – Wireless/Wale Local Area Network), в котором используется метод множественного доступа с прослушиванием несущей и исключением коллизий (CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Этот метод требует от станции отправителя положительного подтверждения (АСК) каждого принятого кадра.

Существуют различные типы беспроводных сетей, отличающиеся друг от друга и радиусом действия, и поддерживаемыми скоростями соединения, и технологиями кодирования данных. Можно отметить следующие спецификации семейства стандартов IEEE 802.11: IEEE 802.11 (первоначальный стандарт, 1997 г.), 11a (2001 г.), 11b (1999 г.), 11d (2001 г.), 11g (2003 г.), 11e (2005 г.), 11h (2004 г.), 11i (2004 г.), 11j (2004 г.), 11n (MIMO-технология, 2009 г.), 11s (Mesh-технология) и др.

Стандарт IEEE 802.11 является базовым стандартом и определяет протоколы, необходимые для организации беспроводных локальных сетей (WLAN). Основные из них – протокол управления доступом к среде MAC и протокол PHY передачи сигналов в физической среде. В качестве последней допускается использование радиоволн и инфракрасного излучения. Стандарты IEEE802.11 работают на частотах 2,4 - 2,4835 ГГц, 5,15 – 5,35 ГГц и 5,725 – 5,825 ГГц, мощность передатчика в пределах 0 мВт – 1Вт, пропускная способность 11 Мбит/с, 54 Мбит/с и выше.

В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура, причем сеть может состоять как из одной, так и нескольких ячеек. Каждая сота управляется базовой станцией, называемой точкой доступа AP (Access Point), которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей, образует базовую зону обслуживания BSS (Basic Service Set). Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему DS (Distribution System), представляющую собой эквивалент магистрального сегмента проводных локальных сетей. Вся инфраструктура, включающая точки доступа и распределительную систему образует расширенную зону обслуживания ESS (Extended Service Set). Стандартом предусмотрен также односотовый вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее функций выполняются непосредственно рабочими станциями.

Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети – режим «Ad-hoc» и клиент/сервер (или режим инфраструктуры – infrastructure mode).

Режим «Ad-hoc» (точка-точка, или независимый базовый набор служб, IBSS) – простая сеть, в которой связь между многочисленными станциями устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа. Для этого режима требуется оснащение беспроводным адаптером каждой станции. Основным недостатком режима «Ad-hoc» является ограниченный диапазон действия возможной сети и невозможность подключения к внешней сети (например, к Интернету).

В режиме клиент/сервер или Infrastructure Mode станции взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через точку доступа AP, которая выполняет в беспроводной сети роль своеобразного концентратора. Рассматривают два режима взаимодействия с точками доступа – BSS и ESS. В режиме BSS все станции связываются между собой только через точку доступа, которая может выполнять также роль моста к внешней сети. В расширенном режиме ESS существует инфраструктура нескольких сетей BSS, причём сами точки доступа взаимодействуют друг с другом, что позволяет передавать трафик от одной BSS к другой. Сами точки доступа соединяются между собой с помощью либо сегментов кабельной сети, либо радиомостов.

Подобно проводной сети Ethernet, в беспроводных компьютерных сетях Wi-Fi канальный уровень включает в себя подуровни LLC (Logical Link Control) и MAC (Media Access Control). У Ethernet и IEEE 802.11 один и тот же LLC, что значительно упрощает объединение проводных и беспроводных сетей. MAC у обоих стандартов имеет много общего, однако есть некоторые различия.

Стандарт 802.11 определяет три класса кадров, передаваемых по каналу: информационные, служебные и управляющие. Формат информационного кадра показан на рис. 14.1. Заголовок кадра состоит из 7 полей с общей длиной 30 байт.

Рис. 14.1. Информационный кадр стандарта IEEE 802.11

Поле «Управление кадром» (Frame Control) имеет длину 2 байта (рис. 14.2). В поле «Длительность» задается время, которое будет потрачено на передачу кадра и подтверждения. Имеется четыре адреса в формате, соответствующий стандарту IEEE 802. Первые два адреса – это адреса отправителя и получателя. Кадры могут входить в ячейку или покидать ее через базовую станцию. Поэтому следующие два адреса хранят адреса исходной и целевой ячеек при передаче трафика между ячейками. Поле «Номер» позволяет нумеровать фрагменты. Поле «Данные» содержит передаваемую информацию (0 – 2312 байт). Поле «Контрольная сумма» предназначено для проверки целостности принятого кадра. Его значение подсчитывается с помощью алгоритма CRC-32.

14.2. Поле управления кадром стандарта IEEE 802.11

Поле «Управление кадром» содержит 11 полей. Поле «Версия протокола» позволяет двум протоколам работать одновременно в одной ячейке сети. Поле «Тип» указывает на информационный, служебный или управляющий. Поле «Подтип» указывает на RTS, CTS или АСК кадры. Биты «К DS» и «От DS» говорят о направлении движения кадра: к межсотовой системе распределения DS (например, Ethernet) или от нее. Поле «MF» (More Fragments) – бит промежуточного фрагмента. «MF=1» означает, что далее следует еще один фрагмент, а «MF=0» – последний или единственний фрагмент в сообщении. Бит «Повтор» маркирует повторно посылаемый фрагмент. Бит «Управление питанием» используется базовой станцией для переключения станции в режим пониженного потребления или выхода из этого режима. Бит «Продолжение» показывает, что у отправителя имеются еще кадры для пересылки. Бит «W=1» означает, чтодля шифрования в кадре использован алгоритм WEP. Бит «О =1» означает, что кадры с этим битом должны обрабатываться в приемнике строго по порядку.

Управляющие кадры имеют формат, сходный с форматом информационных кадров, за одним исключением: в управляющем кадре отсутствуют поля базовых станций. Служебныекадры содержат один или два адреса, отсутствуют поля «Данные» и «Номер».

Физический уровень предусматривает передачу сигнала одним из следующих методов: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – метод частотных скачков (скачкообразной перестройки частоты); DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) – метод прямой последовательности (широкополосная модуляция с прямым расширением спектра), CCK (Complementary Code Keying) – комплементарные коды, OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – метод ортогонального частотного разделения с мультиплексированием, PBCC (Packet Binary Convolutional Coding) – метод двоичного пакетного сверточного кодирования, технология гибридного кодирования (например, CCK-OFDM).

Существуют следующие типы модуляции: двоичная фазовая модуляция BPSK (Binary Phase Shift Key), квадратурная фазовая модуляция QPSK (Quadrature Phase Shift Key), относительная фазовая модуляция DPSK (Differential Phase Shift Keying), относительная двоичная фазовая модуляция DBPSK (Differential Binary Phase Shift Key), квадратурная относительная фазовая модуляция DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Key), квадратурная амплитудная модуляция QAM (Сalled Quadrature Amplitude Modulation) – 16-QAM и 64-QAM.

Более высокоскоростная версия 802.11bили Wi-Fi (Wireless Fidelity – дословно переводится как «беспроводная точность») определяет скорость передачи данных до 11 Мбит/с. Она является прямым продолжением стандарта 802.11. Стандартом IEEE 802.11b предусмотрено использование частотного диапазона от 2,4 до 2,4835 ГГц. Без подключения дополнительной антенны устойчивая связь для IEEE 802.11b достигается в среднем на расстояниях: открытое пространство – 500 м, комната, разделенная перегородками из неметаллического материала – 100 м, офис из нескольких комнат – 30 м.

Стандарт 802.11а, утвержденный в 1999 г., предусматривает передачу данных со скоростью до 54 Мбит/сек в частотном диапазоне 5 ГГц (от 5,15 до 5,350 ГГц и от 5,725 до 5,825 ГГц). К недостаткам 802.11а относятся более высокая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а также меньший радиус действия.

Стандарт 802.11g, принятый в июне 2003 г., имеет максимальную скорость передачи и составляет 54 Мбит/с. IEEE 802.11g является логическим развитием стандарта 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне от 2,4 до 2,4835 ГГц.Если средний радиус сети стандарта IEEE 802.11a составляет 50 м, то радиус действия сетей 802.11g – порядка 100 м.

Cтандарт 802.11i принят в июле 2004 г. Этот документ заменил существовавшее описание протокола WEP. Основное отличие официальной версии стандарта 802.11i от более раннего упрощенного варианта, опубликованного под названием WPA (сохранение алгоритма шифрования RC4) – применение AES шифрования в последнем варианте (WPA2).

Cтандарт 802.11s. Один из способов увеличения радиуса действия беспроводной сети заключается в создании распределённой сети с использованием Mesh-технологии на основе стандарта IEEE 802.11s. Точки доступа Mesh-сетей (Wireless Mesh Networks, ячеистых сетей), кроме предоставления услуги абонентского доступа, выполняют ещё и функции маршрутизаторов/ретрансляторов для других точек доступа этой же сети. Mesh-сети – это перспективный класс беспроводных сетей, который широко применяется при построении локальных и городских беспроводных сетей.

Cтандарт 802.11n в 2009 г. официально признан новым стандартом для сетей WiFi. Стандарт стал основой MIMO (Multiple Input Multiple Output) технологии, в которой сигнал передается и принимается несколькими антеннами одновременно. Устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут работать в частотном диапазоне либо 5, либо 2,4 ГГц. Пиковая скорость передачи колеблется от 300 до 450 Мбит/с.