Беспроводные локальные сети на основе стандарта IEEE 802. 11

 

Стандарт построения беспроводных локальных сетей ЭВМ IEEE 802.11 был предложен во второй половине 90-х годов ХХ века рабочей группой 802 Института инженеров по электротехнике и электронике США. В настоящее время является одним из наиболее перспективных направлений построения сетей ЭВМ, использующих для информационного обмена между абонентскими системами радиоволны.

Стандарт IEEE 802.11 предполагает работу сетевых трансиверов на частоте 2.4 ГГц при использовании передатчиков мощностью 10мВт-1Вт. Средняя пропускная способность сети составляет 2 Мбит/с. В настоящее время разработано и используется сетевое оборудование, обеспечивающее пропускную способность более 50 Мбит/с. Радиус возможного установления связи с мобильными абонентскими системами может достигать 100 км. В условиях городской застройки и сложных погодных условиях радиус устойчивой работы может уменьшаться до 3-5 км.

Отличительной особенностью МАС ‑ подуровня данного стандарта является организация неконкурентного и конкурентного обслуживания сетевых абонентских систем.

Подуровень MAC реализован следующим образом. Время обслуживания мобильных абонентских систем разделяется на циклы. Цикл содержит две фазы: неконкурентную и конкурентную. Во время неконкурентной фазы управляющая абонентская система (хост-трансивер) опрашивает мобильные абонентские системы, которые поочередно передают свои информационные пакеты.

Во время конкурентного периода мобильные абонентские системы осуществляют передачу, используя протокол множественного доступа с контролем несущей и особым протоколом исключения конфликтов ‑ CSMA/CA (carrier sense multiple access with collision avoidance).

Протокол CSMA/CA, иллюстрируемый рис. 4.7, подобен протоколу МДКН/ОК (CSMA/CD), но пытается благоприятствовать абонентским системам, которым пришлось ждать больше. На рис. 7 между станциями АС1, АС3 и АС5 произошел конфликт, и они выбирают время ожидания соответственно Т1 Т3 и Т5. У АС3 время ожидания наименьшее, и она начинает передачу первой. Абонентские системы АС1 и АС5 определяют свое остаточное время ожидания следующим образом: Т'1 = Т1 - T₃; Т'₅ = Т₅ - T3 и используют его в следующем цикле передачи информационных пакетов. Эта процедура продолжается и при последующих конфликтах (Т"₃ = Т'₃ - T'1; Т"₅ = Т'₅ - T'1).

Эффективность протокола CSMA/CA зависит от задержки распространения сигналов и размеров информационных пакетов.

 

T’₁=T₁-T₃; T’₅=T₅-T₃; T’’₁=T’₃-T’₁; T’’₅=T’₅-T’₁;

 

Рис. 4.7. Временная диаграмма функционирования сети стандарта IEEE 802.11

 

Перспективами развития беспроводных локальных сетей ЭВМ на основе стандарта IEEE 802.11 является использование 5 ГГц радиочастотного диапазона. Это должно обеспечить более высокие скорости и качество передачи данных.

Предполагается, что новое оборудование для 5 ГГц диапазона будет полностью совместимо с существующим. Кроме того, ведется разработка и внедрение сетевых устройств, обеспечивающих передачу по одному информационному каналу мультимедийного трафика (сигналов телевидения высокой четкости, видео и телефонии). Многие из новых требований к передаче информации в диапазоне 5 ГГц формулируются с учетом прогнозируемых потребностей так называемого беспроводного жилища (wireless home).

Несмотря на значительные успехи в развитии беспроводных сетей ЭВМ они остаются пока крайне ненадежными и критичными к различным внешним факторам и воздействиям (городской застройке, погодным условиям, помеховым воздействиям, несанкционированному доступу и т.п.). Потери информационных пакетов в таких сетях весьма вероятны, а понижение скорости передачи данных, как правило, не приводит к понижению вероятности потерь.

Стандарт IEEE 802.11a. Является наиболее "широкополосным" из семейства стандартов 802.11, предусматривая скорость передачи данных до 54 Мбит/с (редакцией стандарта, утвержденной в 1999 г., определены три обязательных скорости ‑ 6, 12 и 24 Мбит/с и пять необязательных - 9, 18, 36, 48 и 54 Мбит/с).

В отличие от базового стандарта, ориентированного на область частот 2,4 ГГц, спецификациями 802.11а предусмотрена работа в диапазоне 5 ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). Наиболее существенное различие между этим методом и радиотехнологиями DSSS и FHSS заключается в том, что OFDM предполагает параллельную передачу полезного сигнала одновременно по нескольким частотам диапазона, в то время как технологии расширения спектра передают сигналы последовательно. В результате повышается пропускная способность канала и качество сигнала.

К недостаткам 802.11а относятся более высокая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а так же меньший радиус действия (оборудование для 2,4 ГГц может работать на расстоянии до 300 м, а для 5 ГГц ‑ около 100 м).

Можно отметить, что данная версия является как бы "боковой ветвью" основного стандарта 802.11. Для увеличения пропускной способности канала здесь используется диапазон частот передачи 5,5 ГГц. Для передачи в 802.11a используется метод множества несущих, когда диапазон частот разбивается на подканалы с разными несущими частотами (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), по которым поток передается параллельно, разбитым на части. Использование метода квадратурной фазовой модуляции позволяет достичь пропускной способности канала 54 Мбит/сек.

Стандарт IEEE 802.11 b. Благодаря высокой скорости передачи данных (до 11 Мбит/с), практичкски зквивалентной пропускной способности обычных проводных ЛС Ethernet, а также ориентации на "освоенный" диапазон 2,4 ГГц, этот стандарт завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования для беспроводных сетей.

В окончательной редакции стандарт 802.11b, известный также как Wi-Fi (wireless fidelity), был принят в 1999г. В качестве базовой радиотехнологии в нем используется метод DSSS с 8-разрядными последовательностями Уолша.

Поскольку оборудование, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с, имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала.

Как и в случае базового стандарта 802.11, четкие механизмы роуминга спецификациями 802.11b не определены.

Этот стандарт является наиболее популярным на сегодняшний день и, собственно, он носит торговую марку Wi-Fi. Как и в первоначальном стандарте IEEE 802.11, для передачи в данной версии используется диапазон 2,4 ГГц. Он не затрагивает канальный уровень и вносит изменения в IEEE 802.11 только на физическом уровне. Для передачи сигнала используется метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum), при котором весь диапазон делится на 5 перекрывающих друг друга поддиапазонов, по каждому из которых передается информация. Значения каждого бита кодируются последовательностью дополнительных кодов (Complementary Code Keying). Пропускная способность канала при этом составляет 11 Мбит/с.

Стандарт IEEE 802.11d. Стремясь расширить географию распространения сетей стандарта 802.11, IEEE разрабатывает универсальные требования к физическому уровню 802.11 (процедуры формирования каналов, псевдослучайные последовательности частот, дополнительные параметры для MIB и т.д.). Соответствующий стандарт 802.11d пока находится в стадии разработки.

Стандарт определяет требования к физическим параметрам каналов (мощность излучения и диапазоны частот) и устройств беспроводных сетей с целью обеспечения их соответствия законодательным нормам различных стран.

Стандарт IEEE 802.11e. Спецификации разрабатываемого стандарта 802.11е позволяют создавать мультисервисные беспроводные ЛС, ориентированные на различные категории пользователей как корпоративных, так и индивидуальных. При сохраненеии полной совместимости с уже принятыми стандартами 802.11а и b, он позволит расширить их функциональность за счет поддержки потоковых мультимедиа-данных и гарантированного качества услуг (QoS).

Предварительный вариант спецификаций 802.11е должен был быть утвержден к концу 2001г.

Создание данного стандарта связано с использованием средств мультимедиа. Он определяет механизм назначения приоритетов разным видам трафика ‑ таким, как аудио- и видеоприложения.

Стандарт IEEE 802.11f. Cпецификации 802.11f описывают протокол обмена служебной информацией между точками доступа (Inter-Access Point Protocol, IAPP), что необходимо для построения распределенных беспроводных сетей передачи данных. Дата утверждения этих спецификаций в качестве стандарта пока была не определена.

Данный стандарт, связанный с аутентификацией, определяет механизм взаимодействия точек связи между собой при перемещении клиента между сегментами сети. Другое название стандарта ‑ Inter Access Point Protocol.

Стандарт IEEE 802.11g. Спецификации 802.11g, находившиеся на момент описания в стадии рассмотрения, представляют собой развитие стандарта 802.11b и позволяют повысить скорость передачи данных в беспроводных ЛС до 22 Мбит/с (а возможно, и выше до 54 Мбит/с) благодаря использованию более эффективной модуляциии сигнала. Из нескольких предложений по базовой радиотехнологии для стандарта рабочая группа IEEE недавно выбрала решение компании Intersil, основанное на методе OFMD, однако окончательное принятие 802.11g ожидалось только к концу 2002 г. Одним из достоинств стандарта является обратная совместимость с 802.11b.

Итак, целью разработки данного стандарта было повышение пропускной способности канала до 54 Мбит/с при условии совместимости с начальными версиями (использование диапазона 2,4 ГГц). Можно считать, что стандарт g явился симбиозом стандартов a и b. Для совместимости в данном методе обязательным является как кодирование с помощью Complementary Code Keying, так и мультиплексирование частот с помощью Orthogonal Frequency Division Multiplexing. Прямая и обратная совместимость предусматривает возможность работы устройств стандарта 802.11g в сетях 802.11b и наоборот.

Стандарт IEEE 802.11h. Рабочая группа IEEE 802.11h рассматривает возможность дополнения существующих спецификаций 802.11 MAC (уровень доступа к среде передачи) и 802.11a PHY (физический уровень в сетях 802.11a) алгоритмами эффективного выбора частот для офисных и уличных беспроводных сетей, а также средствами управления использованием спектра, контроля за излучаемой мощностью и генерации соответствующих отчетов.

Предполагается, что решение этих задач будет базироваться на использовании протоколов Dynamic Frequency Selection (DFS) и Transmit Power Control (TPC), предложенных Европейским институтом стандартов по телекоммуникациям (ETSI). Указанные протоколы предусматривают динамическое реагирование клиентов беспроводной сети на интерференцию радиосигналов путем перехода на другой канал, снижения мощности либо обоими способами.

Разработка данного стандарта связана с проблемами при использовании 802.11а в Европе, где в диапазоне 5 ГГц работают некоторые системы спутниковой связи. Для предотвращения взаимных помех стандарт 802.11h имеет механизм "квазиинтеллектуального" управления мощностью излучения и выбором несущей частоты передачи.

Стандарт IEEE 802.11i. До мая 2001 г. стандартизация средств информационной безопасности для беспроводных сетей 802.11 относилась к ведению рабочей группы IEEE 802.11e, но затем эта проблематика была выделена в самостоятельное подразделение. Разрабатываемый стандарт 802.1X призван расширить возможности протокола 802.11 MAC, предусмотрев средства шифрования передаваемых данных, а также централизованной аутентификации пользователей и рабочих станций. В результате масштабы беспроводных локальных сетей можно будет наращивать до сотен и тысяч рабочих станций.

В основе 802.1X лежит протокол аутентификации Extensible Authentication Protocol (EAP), базирующийся на PPP. Сама процедура аутентификации предполагает участие в ней трех сторон: вызывающей (клиента), вызываемой (точки доступа) и сервера аутентификации (как правило, сервера RADIUS). В то же время новый стандарт, судя по всему, оставит на усмотрение производителей реализацию алгоритмов управления ключами.

Разрабатываемые средства защиты данных должны найти применение не только в беспроводных, но и в других локальных сетях ‑ Ethernet и Token Ring. Вот почему будущий стандарт получил номер IEEE 802.1X, а его разработку группа 802.11i ведет совместно с комитетом IEEE 802.1.

Целью создания данной спецификации является повышение уровня безопасности беспроводных сетей. В ней реализован набор защитных функций при обмене информацией через беспроводные сети в частности, технология AES (Advanced Encryption Standard) ‑ алгоритм шифрования, поддерживающий ключи длиной 128, 192 и 256 бит. Предусматривается совместимость всех используемых в данное время устройств, в частности, Intel Centrino ‑ с 802.11i-сетями.

Стандарт IEEE 802.11j. Спецификация 802.11j настолько нова, что IEEE еще официально не сформировал рабочую группу для ее обсуждения на момент публикации. Предполагается, что стандарт будет оговаривать существование в одном диапазоне сетей стандартов 802.11a и HiperLAN2.

Спецификация предназначена для Японии и расширяет стандарт 802.11а добавочным каналом 4,9 ГГц.

Стандарт IEEE 802.11n. Институт IEEE ведет работу над созданием новой спецификации протокола связи в беспроводных локальных сетях (WLAN). 802.11n работает вдвое быстрее, чем 54-мегабитные "g" и "a" на скорости от 100 Мбит/c. Новый стандарт уравняет проводные и беспроводные системы, что позволит корпоративным клиентам использовать беспроводные сети там, где это было невозможно из-за ограниченной скорости.

Определение скоростных характеристик для стандарта "n" будет более строгим, чем у "g" или "b". Оно основывается на фактической скорости передачи файлов и потоков, а не на размере низкоуровневого трафика, снабженного множеством служебных заголовков. Ускорение достигается за счет более оптимального использования частотного диапазона, аналоговых радиочипов, выполненных по улучшенной CMOS-технологии и интеграции WLAN-адаптера в один чип.