Опубликован: 11.01.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 623 / 124 | Длительность: 12:06:00
Лекция 8:

Обзор технологии IEEE 802.11

< Лекция 7 || Лекция 8: 12 || Лекция 9 >

Особенности и основные свойства IEEE 802.11

Подключение к сети

MAC уровень 802.11 несет ответственность за то, каким образом клиент подключается к точке доступа. Когда клиент 802.11 попадает в зону действия одной или нескольких точек доступа, он на основе мощности сигнала и наблюдаемого значения количества ошибок выбирает одну из них и подключается к ней. Как только клиент получает подтверждение того, что он принят точкой доступа, он настраивается на радиоканал, в котором она работает. Время от времени он проверяет все каналы 802.11, чтобы посмотреть, не предоставляет ли более высокое качество другая точка доступа. Если такая точка доступа находится, то станция подключается к ней, перенастраиваясь на ее частоту Рис. 8.3 .

Точка доступа и частоты

Рис. 8.3. Точка доступа и частоты

Переподключение обычно происходит в том случае, если станция была физически перемещена вдаль от точки доступа, что вызвало ослабление сигнала. В других случаях повторное подключение происходит из-за изменения радиочастотных характеристик здания, или просто из-за большого сетевого трафика через первоначальную точку доступа. В последнем случае эта функция протокола известна как "балансировка нагрузки", так как ее главное назначение – распределение общей нагрузки на беспроводную сеть наиболее эффективно по всей доступной инфраструктуре сети.

Процесс динамического подключения и переподключения позволяет сетевым администраторам устанавливать беспроводные сети с очень широким покрытием, создавая частично перекрывающиеся "соты". Идеальным вариантом является такой, при котором соседние перекрывающиеся точки доступа будут использовать разные DSSS каналы, чтобы не создавать помех в работе друг другу.

Режимы работы 802.11

802.11 определяет два типа оборудования – клиент, который обычно представляет собой компьютер, укомплектованный беспроводной сетевой интерфейсной картой (Network Interface Card, NIC), и точку доступа (Access point, AP), которая выполняет роль моста между беспроводной и проводной сетями. Точка доступа обычно содержит в себе приемопередатчик, интерфейс проводной сети (802.3), а также программное обеспечение, занимающееся обработкой данных. В качестве беспроводной станции может выступать ISA, PCI или PC Card сетевая карта в стандарте 802.11, либо встроенные решения, например, телефонная гарнитура 802.11.

Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети – режим "Ad-hoc" и клиент/сервер (или режим инфраструктуры – infrastructure mode). В режиме клиент/сервер Рис. 8.4 беспроводная сеть состоит из как минимум одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных оконечных станций. Такая конфигурация носит название базового набора служб (Basic Service Set, BSS). Два или более BSS, образующих единую подсеть, формируют расширенный набор служб (Extended Service Set, ESS). Так как большинству беспроводных станций требуется получать доступ к файловым серверам, принтерам, Интернету, доступным в проводной локальной сети, они будут работать в режиме клиент/сервер.

Режим инфраструктуры

Рис. 8.4. Режим инфраструктуры

Режим "Ad-hoc" (также называемый точка-точка, или независимый базовый набор служб, IBSS) – это простая сеть, в которой связь между многочисленными станциями устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа Рис. 8.5 . Такой режим полезен в том случае, если инфраструктура беспроводной сети не сформирована (например, отель, выставочный зал, аэропорт), либо по каким-то причинам не может быть сформирована.

Режим Ad-hoc

Рис. 8.5. Режим Ad-hoc

Поддержка потоковых данных

Потоковые данные, такие как видео или голос, поддерживаются в спецификации 802.11 на MAC уровне посредством Point Coordination Function (PCF). В противоположность Distributed Coordination Function (DCF), где управление распределено между всеми станциями, в режиме PCF только точка доступа управляет доступом к каналу. В случае установки BSS с включенной PCF, время распределяется равномерными промежутками для работы в режиме PCF и в режиме CSMA/CA. Во время периодов, когда система находится в режиме PCF, точка доступа опрашивает все станции на предмет получения данных. На каждую станцию выделяется фиксированный промежуток времени, по истечении которого производится опрос следующей станции. Ни одна из станций не может передавать в это время, за исключением той, которая опрашивается. Так как PCF дает возможность каждой станции передавать в определенное время, то гарантируется максимальная латентность. Недостатком такой схемы является то, что точка доступа должна производить опрос всех станций, что становится чрезвычайно неэффективным в больших сетях.

Управление питанием

Дополнительно по отношению к управлению доступом к носителю, MAC уровень 802.11 поддерживает энергосберегающие режимы для продления срока службы батарей мобильных устройств. Стандарт поддерживает два режима потребления энергии, называемые "режим продолжительной работы" и "сберегающий режим". В первом случае радио всегда находится во включенном состоянии, в то время как во втором случае радио периодически включается через определенные промежутки времени для приема "маячковых" сигналов, которые постоянно посылает точка доступа. Эти сигналы включают в себя информацию относительно того, какая станция должна принять данные. Таким образом, клиент может принять маячковый сигнал, принять данные, а затем вновь перейти в "спящий" режим.

Безопасность

802.11b обеспечивает контроль доступа на MAC уровне (второй уровень в модели ISO/OSI), и механизмы шифрования, известные как Wired Equivalent Privacy (WEP), целью которых является обеспечение беспроводной сети средствами безопасности, эквивалентными средствам безопасности проводных сетей. Когда включен WEP, он защищает только пакет данных, но не защищает заголовки физического уровня, так что другие станции в сети могут просматривать данные, необходимые для управления сетью. Для контроля доступа в каждую точку доступа помещается так называемый ESSID (или WLAN Service Area ID), без знания которого мобильная станция не сможет подключиться к точке доступа. Дополнительно точка доступа может хранить список разрешенных MAC адресов, называемый списком контроля доступа (Access Control List, ACL), разрешая доступ только тем клиентам, чьи MAC адреса находятся в списке.

Для шифрования данных стандарт предоставляет возможности шифрования с использованием алгоритма RC4 с 40-битным разделяемым ключом. После того, как станция подключается к точке доступа, все передаваемые данные могут быть зашифрованы с использованием этого ключа. Когда используется шифрование, точка доступа будет посылать зашифрованный пакет любой станции, пытающейся подключиться к ней. Клиент должен использовать свой ключ для шифрования корректного ответа для того, чтобы аутентифицировать себя и получить доступ в сеть. Выше второго уровня сети 802.11b поддерживают те же стандарты для контроля доступа и шифрования (например, IPSec), что и другие сети 802.

Безопасность для здоровья

Так как мобильные станции и точки доступа являются СВЧ устройствами, у многих возникают вопросы по поводу безопасности использования компонентов Wave LAN. Известно, что чем выше частота радиоизлучения, тем опаснее оно для человека. В частности, известно, что если посмотреть внутрь прямоугольного волновода, передающего сигнал частотой 10 или более ГГц, мощностью около 2 Вт, то неминуемо произойдет повреждение сетчатки глаза, даже если продолжительность воздействия составит менее секунды. Антенны мобильных устройств и точек доступа являются источниками высокочастотного излучения, и хотя мощность излучаемого сигнала очень невелика, все же не следует находиться в непосредственной близости от работающей антенны. Как правило, безопасным расстоянием является расстояние порядка десятков сантиметров от приемо-передающих частей. Более точное значение можно найти в руководстве к конкретному прибору.

Готовые решения для беспроводных LAN

Существуют два основных решения для построения беспроводных сетей:

  • Wireless LANs (WLANs)
  • Broadband Wireless Access (BWA)

WLANs спроектированы для небольших расстояний. В таких сетях отраженный сигнал затухает примерно через 10 нс. Передача данных происходит пакетами разной длины. Что касается BWA сетей, то они спроектированы для больших расстояний. Здесь отраженные сигналы распространяются от 100 нс до 10 мкс. Отсюда возникает проблема задержки распространения сигнала. Существует еще одно отличие: у этих сетей разный media access control (МАС) layer. У WLANs возможна передача данных пакетами разной длины, тогда как в BWA сетях еще возможна передача голоса (а это уже маленькие пакеты).

WLANs

Рабочий диапазон частот в этих сетях: 2,4 – 5 ГГц. Им присущи следующие топологии:

  • Инфраструктура. Это то же, что и LAN, но с беспроводными устройствами и базовой станцией (access point), которая имеет возможность управлять сетью. Она может регулировать основные характеристики сети.
  • Ad hoc. В данном случае базовая станция отсутствует – есть только сами беспроводные устройства, которые как-то взаимодействуют друг с другом. Примером такой топологии сети может служить офис, в который заходят люди со своими ноутбуками, организуя по мере прихода растущую сеть.

Однако, у таких сетей есть свои недостатки. Например, часто возникает высокий и непредсказуемый уровень шума, а также большая задержка в передаче (из-за интерференции и шумов).

Возможным решением улучшения производительности является адаптация размера передаваемого кадра на MAC уровне, а также формирование кадров в группы (пакеты). Хотя пропускная способность – это неотъемлемок свойство передачи данных сети высокой производительности, тем не менее повсеместное использование мультимедиа в сети (включающую продолжительную передачу аудио-видео данных) добавило новые требования на задержки в передаче. Текущие беспроводные сети неспособны поддерживать работу мультимедиа приложений. Возможное решение – проектировка перекрестно-уровневой модели (cross-layer design), когда несколько уровней взаимодействуют друг с другом и этим способом достигается повышение производительности. (Например: уровень маршрутизации и промежуточного ПО; или прикладного, транспортного и физического уровней.)

В качестве альтернатив сетям WLANs могут быть:

  • IR. Электро-магнитное излучение с длиной волн порядка 820 – 890 нм. Его не надо лицензировать, у него высокая производительность (до 100 Мбит/с), а также присутствует автоматическая управляемость интерференции. К недостаткам можно отнести невозможность проходить сквозь препятствия (поэтому источник и приемник надо располагать в помещении).
  • Ультра широкополосная технология (Ultrawideband - UWB). Она передает бинарные данные, используя низкое энергопотребление и очень короткие по длительности (пикосекунды) импульсы вспышек радиочастотной энергии. Работает на нескольких частотах. Действует на расстоянии от 15 до 100 м. Максимально достижимая скорость – 100 Мбит/с. Для сравнения: Bluetooth – 1 Мбит/с, 802.11 – 54 Мбит/с.

BWA сети

В них используются различные частотные диапазоны:

  • Частоты меньше 10 ГГц:
    • Сантиметрово-волновые диапазоны. Работают на частотах 2.1 – 2.7 ГГц, максимальная скорость - до 10 Мбит/с.
    • U-NII (unlincensed national information infrastructure). Ширина рабочего диапазона - 300 МГц. В нем присутствуют 3 поддиапазона: 5.15 – 5.25, 5.25 – 5.35 и 5.725 – 5.825 ГГц. Скорость сильно варьируется: от 128 Кбит/с до 45 Мбит/с (в зависимости от погоды).
  • Частоты больше 10 ГГц:
    • Миллиметрово-волновые диапазоны:
      • Низкий миллиметровый диапазон: частоты 24 – 40 ГГц, максимальная скорость до 155 Мбит/с
      • Высокий миллиметровый диапазон: частоты > 60 ГГц, максимальная скорость до 10 Гбит/с
    • Лазер:
      • Не подлежит лицензированию. К недостаткам можно отнести излучение только в одном направлении, невозможность обхода препятствий, вреден для глаз. Затухание через атмосферу сложно предсказуемо – зависит от погоды. Скорость варьируется от 155 Мбит/с до 2.5 Гбит/с на расстоянии от 1 до 5 км.
< Лекция 7 || Лекция 8: 12 || Лекция 9 >