Лабораторна робота № 5
Безпровідні локальні мережі
Завдання
Освоїти безпровідні локальні технології
Теоретична частини
Безпровідні локальні мережі на сьогодні розглядаються як доповнення до провідних мереж, а не як конкурентна пропозиція. До переваг таких мереж слід віднести просте і недороге розгортання і модифікацію, мобільність користувачів. Але за всі ці переваги приходиться розплачуватись великим переліком проблем, які пов’язані з нестабільністю і непередбачуваністю безпровідного середовища передачі.
Перешкоди, які створють різноманітні побутові прилади, інші телекомунікаційні системи, атмосферні перешкоди, а також відбиття сигналу створюють великі труднощі для надійного прийому інформації.
Методи розширення спектру допомагають знизити вплив перешкод на корисний сигнал, крім цього в безпровідних мережах часто використовується пряма корекція помилок і протоколи повторної передачі втрачених кадрів.
Стек протоколів ІЕЕЕ 802.11
Стек протоколів стандарту IEEE 802.11 відповідає загальній структурі комітету 802, тобто складається з фізичного рівня і рівня MAC над яким працює рівень LLC.
Структура стеку протоколів IEEE 802.11
LLC
MAC |
PCF |
||||
DCF |
|||||
Physical |
802.11 |
802.11a |
802.11b |
802.11g |
802.11n |
Рівень МАС виконує в безпровідних мережах більше функцій ніж у провідних:
Доступ до роздільного середовища передачі
Забезпечення мобільності станцій при наявності декількох базових станцій
Забезпечення безпеки
В мережах 802.11 рівень МАС підтримує 2 режими доступу до роздільного середовища передачі: розподілений режим DCF (Distributed Coordination function) централізований режим PCF(point Coordination function).
На фізичному рівні існує декілька варіантів специфікацій, які відрізняються між собою частотними діапазонами, методом кодування і як наслідок – швидкістю передачі даних.
802.11а В кінці 1999 р. IEEE випустила стандарт 802.11а, що регламентує передачу даних у діапазоні 5 ГГц з використанням технології мультиплексування з поділом по ортогональних частотах (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM), при цьому забезпечується швидкість передачі даних до 54 Мбіт / с. Проте продукти, що реалізують цю технологію, не були доступні до 2000 р., в основному через труднощі, що виникають при розробці електронних схем, що працюють в цьому діапазоні. Пристрої стандарту 802.11а працюють у діапазоні 5 ГГц, забезпечуючи швидкість передачі даних до 54 Мбіт / с при радіусі дії до 90 м, який залежить від дійсної швидкості передачі даних. Точки доступу і радіоплати інтерфейсу мережі стандарту 802.11а з'явилися на ринку наприкінці 2001-го, тому частка встановленого обладнання, відповідного цьому стандарту, поки незначна в порівнянні з кількістю мереж стандарту 802.11b. Рекомендується ретельно вивчити проблеми сумісності, які можуть виникнути при розгортанні мережі стандарту 802.11а. Важливою перевагою стандарту 802.11а є те, що він пропонує підвищену пропускну здатність завдяки використанню 12-ти окремих каналів, що не перекриваються. Це хороший вибір при необхідності підтримки багатьох, сконцентрованих в невеликій зоні користувачів і високопродуктивних додатків, таких як потокове відео. Крім більш високих характеристик, ніж у систем стандарту 802.11b, мережі стандарту 802.11а мають і більш високу пропускну здатність, ніж мережі 802.11g. Іншою перевагою стандарту 802.11а є те, що діапазон 5 ГГц використовується ще недостатньо широко, що дозволяє користувачам досягати високої продуктивності. Більшість пристроїв, що створюють перешкоди, таких як мікрохвильові печі і бездротові телефони, працюють у діапазоні 2,4 ГГц. Оскільки потенціал радіозавад у діапазоні 5 ГГц нижче, розгортання бездротової локальної мережі виявляється менш ризикованим. Потенційна проблема мереж стандарту 802.11а - їх обмежений радіус дії, що обумовлено головним чином їх роботою в діапазоні більш високих частот (5 ГГц). При роботі на швидкостях до 54 Мбіт / с радіус дії в більшості випадків обмежений величиною 90 м. Для того щоб забезпечити роботу мережі в межах заданої зони, доводиться встановлювати більше точок доступу, ніж при використанні пристроїв стандарту 802.11b. Проте, якщо порівняти роботу мереж стандартов802.l1b і 802.11а, то виявиться, що користувач мережі 802.11а має можливість передавати дані з більш високою швидкістю на ті ж відстані, що і користувач мережі стандарту 802.11b, перш ніж він втратить можливість встановлення з'єднання. Але при цьому користувач мережі стандарту 802.11b може продовжувати роботу при низькій швидкості передачі даних - 1 або 2 Мбіт / с - при великих відстанях, ніж характерні для мереж стандарту 802.11а. Безсумнівну складність представляє те, що стандарти 802.11а і 802.11b / g несумісні. Так, користувач, комп'ютерний пристрій якого обладнано радіоплатою стандарта 802.l1b, не може прив'язатися до точки доступу, що відповідає стандарту 802.11а, і навпаки. Виробники вирішують цю проблему, пропонуючи багаторежимні радіоплати, що підтримують обидва стандарти - 802. Модулятор стандарту 802.11a перетворює двійковий сигнал в аналогову форму, використовуючи різні методи модуляції в залежності від того, яка швидкість передачі даних була обрана. Наприклад, при роботі зі швидкістю 6 Мбіт / с підрівень середовища передачі (physical layer medium dependent, PMD) використовує двійкову відносну фазову маніпуляцію (differential binary phase shift keying, DBPSK), при якій здійснюються зміщеня фази центральної частоти передачі, що відображають різні комбінації двійкових розрядів . При більш високих швидкостях передачі (54 Мбіт / с), використовується квадратурна амплітудна модуляція (quadrature amplitude modulation, QAM). У цьому випадку біти даних представляються шляхом зміни центральної частоти передачі, а також зміни амплітуди сигналів на додаток до зрушень фази. 802.11b Поряд зі стандартами 802.11a IEEE ратифікував стандарт 802.11b, що представляє собою розширення початкового стандарту 802.11, заснованого на розширенні спектру методом прямої послідовності в діапазоні 2,4 ГГц. Швидкість передачі при цьому досягає 11 Мбіт / с. Точки доступу і радіоплати інтерфейсу мережі стандарту 802.11b почали з'являтися на ринку з 1999 р., тому значна кількість встановлених до теперішнього часу мереж відповідають стандарту 802.11b. Важливою перевагою стандарту 802.11b є те, що відповідні йому пристрої забезпечують відносно великий радіус дії. Можна розраховувати, що в більшості випадків застосування всередині приміщень дальність зв'язку перевищить 270 м. Підвищений радіус дії дозволяє встановлювати істотно меншу кількість точок доступу при розгортанні бездротової локальної мережі у цьому ж будинку, де могла б бути встановлена мережа стандарту 802.11а. Недолік стандарту 802.11b в тому, що можна вибрати лише три канали в діапазоні 2,4 ГГц, що не перекриваються. Стандарт 802.11 визначає 14 каналів (у США дозволені до застосування тільки канали з 1-го по 11-й), на роботу в яких можуть бути сконфігуровані точки доступу, але кожен з каналів передачі займає приблизно третину від усього діапазону 2,4 ГГц. Багато компаній використовують тільки канали 1, 6 і 11, що не перекриваються, щоб точки доступу не створювали взаємні перешкоди. Це обмежує загальну пропускну здатність мереж стандарту 802.11b, тому вони добре підходять лише для виконання додатків середнього рівня продуктивності, таких як електронна пошта та перегляд Web-сторінок. Іншим недоліком мереж стандарту 802.11b є їх потенційна схильність до перешкод з боку інших радіопристроїв. Наприклад, бездротовой телефон, що працює в діапазоні 2,4 ГГц, може створювати серйозні перешкоди для бездротової локальної мережі стандарта802.11b, через що користувачі відчувають погіршення її характеристик. Мікрохвильові печі й інші пристрої, що працюють в діапазоні 2,4 ГГц, також можуть створювати перешкоди. Пристрої стандарту 802.11b використовують технологію DSSS для розсіювання сигналу фрейму даних по підканалам діапазону 2,4 ГГц, ширина кожного з яких складає 22 МГц. Це призводить до підвищення завадостійкості зв'язку в порівнянні з тим, коли передача сигналу здійснюється у вузькій смузі частот. Модулятор стандарту 802.11b перетворює розширений двійковий сигнал в аналогову форму, використовуючи різні методи модуляції в залежності від того, з якою швидкістю здійснюється передача даних. Наприклад, при роботі зі швидкістю 1 Мбіт / с на рівні PMD використовується двійкова відносна фазова маніпуляція (differential binary phase shift keying, DBPSK). Насправді цей метод не так складний, як його назва. Модулятор просто зсуває фазу центральної частоти передачі, щоб у потоці даних можна було відрізнити двійкову 1 від двійкового 0. Для передачі зі швидкістю 2 Мбіт / с PMD використовує відносну квадратурної фазової маніпуляцію (differential quadrature phase shift keying, DQPSK), яка аналогічна DBPSK, за винятком того, що використовуються чотири можливих зсуви фази для подання кожних двох бітів даних. Завдяки цьому хитромудрому процесу можна передавати потік даних зі швидкістю 2 Мбіт / с при використанні тієї ж смуги пропускання, яка необхідна для передачі зі швидкістю 1 Мбіт / с у разі застосування інших методів модуляції. Схожі методи використовуються і при передачі даних з більш високими швидкостями - 5,5 і 11 Мбіт / с. 802.11g IЕЕE ратифікував стандарт 802.11g у 2003 р. Він сумісний зі стандартом 802.11b і регламентує підвищену швидкість передачі (54 Мбіт / с в діапазоні 2,4ГГц). При цьому використовується мультиплексування з поділом по ортогональних частотах (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM). Сильною стороною стандарту 802.11g є те, що він сумісний зі стандартом802.11b. Компанії, які вже розгорнули мережі стандарту 802.11b, в загальному випадку можуть модернізувати точки доступу, щоб забезпечити їх сумісність з пристроями стандарта802.11g, просто за рахунок модернізації програмно-апаратних засобів. Це ефективний спосіб переходу мережі компанії на новий рівень. Але існуючі клієнтські пристрої стандарту 802.11b при роботі в мережі стандарту 802.11g вимагають введення механізмів захисту, які обмежують характеристики бездротової локальної мережі в цілому. Це обумовлено тим, що пристрої стандарту 802.11b через розходження у використовуваних методах модуляції не можуть визначити, коли пристрої стандарту 802.11g здійснюють передачу. Тому обидва типи пристроїв повинні оголошувати про свій намір використовувати середовище передачі, використовуючи зрозумілий для обох тип модуляції. Недоліки стандарту 802.11b, такі як схильність до потенційних радіоперешкод і наявність лише трьох каналів, що не перекриваються, властиві й мереж стандарту 802.11g, оскільки вони працюють у тому ж діапазоні 2,4 ГГц. Тому мережі стандарта802.11g мають обмежену пропускну здатність у порівнянні з мережами стандарту 80211а.
802.11 n
Цей стандарт був затверджений 11 вересня 2009.
Стандарт 802.11n підвищує швидкість передачі даних практично вчетверо у порівнянні з пристроями стандартів 802.11g (максимальна швидкість яких дорівнює 54 Мбіт / с), за умови використання в режимі 802.11n з іншими пристроями 802.11n. Теоретично 802.11n здатний забезпечити швидкість передачі даних до 480 Мбіт / с.
Пристрої 802.11n працюють в діапазонах 2,4-2,5 або 5,0 ГГц. Крім того, пристрої 802.11n можуть працювати у трьох режимах: - Успадковане (Legacy), в якому забезпечується підтримка пристроїв 802.11b / g і 802.11a;
Змішаному (Mixed), в якому підтримуються устрою 802.11b/g, 802.11a і 802.11n;
«Чистому» режимі - 802.11n (саме в цьому режимі і можна скористатися перевагами підвищеної швидкості і збільшеною дальністю передачі даних, що забезпечуються стандартом 802.11n).
Реальна швидкість передачі даних завжди менше канальної швидкості. Для WiFi реальна швидкість передачі даних, зазвичай відрізняється більш, ніж у два рази в меншу сторону.
Крім того, існує ще кілька чинників, що обмежують реальну пропускну здатність:
Канал завжди ділиться між клієнтами;
Точка доступу завжди підлаштовується під самого «поганого» клієнта, у якого гірше сигнал, більш старий стандарт (a / b / g) і т. д.;
Наявність перешкод (працюючі поруч точки доступу, мікрохвильові печі); Варто відзначити, що каналів, які не заважаю один- одному, на частоті 2,4 всього три (а саме, 1-й, 6-й і 11-й). Тобто, якщо у сусіда за стіною працює точка доступу на 1-му каналі, а у Вас у будинку на 3-м, то ці точки доступу будуть заважати одна одній, тим самим зменшуючи швидкість передачі даних.
Два частотних діапазони
Пристрої стандарту 802.11n можуть працювати в одному з двох діапазонів - 2,4 або 5 ГГц. Це набагато підвищує гнучкість їх застосування, дозволяючи відмежовуватися від джерел радіочастотних перешкод. При виборі підходящої системи ІТ-фахівцям слід мати на увазі, що практично всі клієнти 802.11n на основі CardBus і ExpressCard поки розраховані тільки на діапазон 2,4 ГГц, але кілька вбудованих адаптерів і плат типорозміру mini-PCI здатні підтримувати обидва
Канали шириною 40МГц
Специфікація 802.11n передбачає використання як стандартних каналів шириною 20 МГц, так і широкосмугових - на 40 МГц з більш високою пропускною здатністю. Проект її версії 2.0 рекомендує застосовувати 40-мегагерцові канали тільки в діапазоні 5 ГГц, однак користувачі багатьох пристроїв такого типу отримають можливість вручну переходити на них навіть у діапазоні 2,4 ГГц.
МІМО
Ключовий компонент стандарту 802.11n під назвою MIMO (Multiple Input, Multiple Output - багато входів, багато виходів) передбачає застосування просторового мультиплексування з метою одночасної передачі декількох інформаційних потоків по одному каналу, а також багатопроменеве відображення, яке забезпечує доставку кожного біта інформації відповідного одержувачу з невеликою ймовірністю впливу перешкод і втрат даних. Саме можливість одночасної передачі і прийому даних визначає високу пропускну здатність пристроїв 802.11n.