13) Технология Wi-Fi.

13.1) Протоколы.

Wi-Fi (вай-фай) аббревиатура от английского Wireless Fidelity (беспроводная надежность) – это семейство протоколов беспроводной передачи данных IEEE 802.11x (802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n и т.д.). Стандарт беспроводной сети 802.11x, который является составной частью стандартов локальных сетей IЕЕЕ802.x, охватывает только два нижних уровня семиуровневой модели OSI (Open System Interconnection) – физический и канальный, в наибольшей степени отражающие специфику локальных сетей.

Физический уровень IEEE 802.11x - радиоканал. Этот уровень характеризует параметры физической среды передачи данных. Стандарт 802.11 предполагает работу на частоте 2.4-2.4835 ГГц при использовании 4FSK/2FSK FHSS и DSSS-модуляции (Direct Sequence Spread Spectrum), мощность передатчика 10мВт-1Вт. В данном частотном диапазоне определено 79 каналов с полосой 1 Мбит/с каждый. Максимальная пропускная способность сети составляет 2 Мбит/с (в условии малых шумов). Первая локальная сеть 802.11aиспользовала методOFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing).Канальный уровень. Канальный уровень осуществляет управление доступом к передающей среде и обеспечивает пересылку кадров между любыми двумя устройствами беспроводной сети. Канальный уровень разделяется на два подуровня: MAC - управление доступом к среде передачи данных и LCC - управление логическим каналом.

Существуют каналы, работающие в инфракрасном диапазоне длин волн (850 или 950 нм). Здесь возможны две скорости передачи 1 и 2 Мбит/с. При скорости 1 Мбит/c используется схема кодирования с группированием четырех бит в 16-битовое додовое слово, содержащее 15 нулей и одну 1 (код Грея). При передаче со скоростью 2 Мбит/c 2 бита преобразуются в 4-битовый код, содержащий лищь одну 1 (0001, 0010, 0100 и 1000).

DSSS в 802.11 использут DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) для 1 Мбит/с и DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) для 2 Мбит/с, а высокоскоростное DSSS (DSSS/HR применяемое в IEEE 802.11b) использует схему модуляции ССК (Complementary Code Keying), которая допускает скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с. В случае DSSS каждый бит передается в виде 11 элементарных сигналов, которые называются последовательностью Баркера. Все эти три вида модуляции могут сосуществовать. В протоколе предусмотрена коррекция ошибок FEC (смотри описание в статье о Bluetooth). IEEE 802.11a специфицирует систему кодирования OFDM скорости передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с. В последнее время широкое распространение получила модификации IEEE 802.11b (WiFi - Wireless Fidelity), которая может обеспечить скорость 1, 2, 5,5 и 11 Мбит/с (модуляция DSSS). Здесь применен алгоритм доступа к сетевой среде CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Для стандарта IEEE 802.11b доступно 11-14 радиоканалов в частотном диапазоне 2,4 ГГц. Здесь все зависит от местных регламентаций и ограничений. Возможно использование всенаправленных и узконаправленных антенн (последние для стационарных соединений точка-точка). Всенаправленная антенная система гарантирует связь для расстояний до 45 метров, а узконаправленная - до 45 км. При скорости 1 Мбит/с расстояние надежной связи может достигать нескольких сот метров. Предельно возможная скорость обмена определяется автоматически. Одновременно может обслуживаться до 50 клиентов. Важной особенностью является возможность работы с мобильными клиентаими. Улучшенная версия 802.11b называется 802.11g. Этот стандарт принят в 2001 году, в нем применяется метод модуляции OFDM. Теоретически максимальная скорость передачи составляет 54 Мбит/c.

Беспроводные сети отличаются от кабельных сетей на физическом (Phy) и частично на канальном (MAC) – уровнях модели взаимодействия OSI.

Подуровень MAC у этих стандартов несколько отличается. Отличия обусловлены тем, что в Wi-Fi используется полудуплексный режим передачи данных, а в кабельных сетях с архитектурой Ethernet - дуплексный режим. Методы доступа к среде передачи данных, которые используются в локальных беспроводных сетях Wireless LAN (WLAN), - это методы множественного доступа с контролем несущей и предупреждением коллизий или столкновений (CSMA/CA - Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). В ЛВС с архитектурой Ethernet используется метод доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect).

После того, как доступ к среде получен, ею может воспользоваться подуровень LCC. Подуровень LCC, организующий передачу кадров информации, один и тот же в беспроводных сетях Wi-Fi и в кабельных сетях с архитектурой Ethernet.

Сети Wi-Fi работают на частотах 2,4 ГГц или 5 ГГц. В стандарте 802.11a используется частота 5 ГГц. В стандартах 802.11b и 802.11g (совместимость с 802.11b) используемая частота - 2,4 ГГц. В стандарте 802.11n (совместимость с 802.11a,b,g) используемая частота - 2,4 или 5 ГГц. В пределах прямой видимости беспроводная связь обеспечивается в радиусе до 300 метров от точки доступа. В закрытых помещениях беспроводная связь обеспечивается в пределах 50 метров.

Для беспроводных сетей, работающих в стандартах 802.11b,g,n на частоте 2,4 ГГц, диапазон шириной 83 МГц разделен на 14 каналов (от 2,412 ГГц - 1 беспроводной канал до 2,484 ГГц - 14 канал) через 5 МГц между центральными частотами соседних каналов, за исключением 14 канала.

Скорость передачи данных для Wireless оборудования, поддерживающего стандарт 802.11b, не превышает 11 Мбит/с, а для оборудования, поддерживающего стандарт 802.11g, до 54 Mбит/с. Стандарт 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с. Для 802.11a скорость передачи данных - 54 Мбит/c.

Безопасность сетей Wi-Fi заслуживает особого внимания, так как сети Wi-Fi является источником повышенного риска для несанкционированного доступа. В сетях Wi-Fi применяются комплексные методы защиты от несанкционированного доступа.

Для работы в стандарте 802.11x используется оборудование двух основных типов: точка доступа Access Point и клиенты, к которым относятся различные устройства, оборудованные Wi-Fi - адаптерами. Access Point - это программно-аппаратное устройство, которое состоит из приемопередатчика, выполняющего роль беспроводного сетевого концентратора (интерфейса для клиентов беспроводной сети - WLAN), сетевого адаптера (интерфейса проводной сети) для подключения к кабельной сети LAN или WAN и микроконтроллера для обработки данных.

Таким образом, Wi-Fi с одной стороны - это семейство стандартов, а с другой стороны Wi-Fi - это беспроводная технология передачи данных по радиоканалу, которая обеспечивает подключение устройств с беспроводными адаптерами в локальную / корпоративную сеть или обеспечивает подключение их к Интернету.

Стандарт 802.11 поддерживает два режима работы: DCF (Distributed Coordination Function) и PCF (Point Coordination Function). Первый не имеет средств централизованного управления, второй - предполагает, что базовая станция берет на себя функцию управления локальной субсетью. В протоколе 802.11 используется алгоритм доступа CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance). При этом производится прослушивание физического и виртуального каналов. CSMA/CA может работать в двух режимах. В первом - станция перед до начала передачи прослушивает канал. Если канал свободен, она начинает передачу данных. При передаче канал не прослушивается и станция передает кадр полностью. Если канал занят, отправитель ждет его освобождения и только после этого начинает передачу. В случае коллизии станции, участвующие в этом событии, смогут начать передачу через псевдостучайный интервал времени (как в Ethernet). Второй режим CSMA/CA базируется на протоколе MACAW и использует контроль виртуального канала, как это показано на рисунке 13.1. В показанном на рисунке примере станция А намеревается передать данные станции В. Станция С находится в зоне доступности стации А и, возможно, станции В. Станция D входит в зону доступности станции В, но пребывает в зне зоны досягаемости станции А.

Рисунок 13.1 - Прослушивание виртуального канала в протоколе CSMA/CA http://citforum.ru/nets/semenov/4/41/i802_418.shtml

Когда станция А решает, что ей необходимо передать данные станции В, она посылает ей кадр RTS, запрашивая разрешение на передачу. Если В может принимать данные, она пришлет отклик в виде кадра CTS. После приема CTS станция А запускает таймер ACK и начинает пересылку данных. При успешном приеме станция В формирует кадр ACK, который посылается А, свидетельствуя о завершении обмена. Если время таймоута ACK истечет раньше, алгоритм повторяется с самого начала. Станция С также принимает кадр RTS и поэтому знает, что по каналу будут передаваться данные, и по этой причине следует воздержаться от попыток передачи. Из данных, содержащихся в RTS станция С знает, сколько времени будет продолжаться передача и пребывает в пассивном состоянии. Индикацией этого состояния является последовательность NAV (Network Allocation Vector) (см. рисунок 13.1). Станция D не слышит RTS, передаваемый А, зато воспринимает CTS, посланный станцией В, и также выдает NAV. Следует учитывать, что сигналы NAV не передаются, а являются kbim внутренними напоминаниями хранить радиомолчание. При фрагментировании каждый фрагмент имеет свою контрольную сумму и его получение подтверждается индивидуально. Посылка фрагмента k+1 невозможна пока не получено подтверждение получения фрагмента k. После получения доступа к каналу отправитель может послать несколько кадров подряд. Если фрагмент доставлен с искажением, он пересылается повторно.

Режимы PCF и DCF могут сосуществовать в пределах одной сотовой ячейки. Это достигается путем точного определения межкадрового интервала. Самый короткий интервал SIFS (Short Interframe Interval) используется для того, чтобы одна из сторон, ведущих диалог посредством кадров управления, могла получить возможность начать передачу первой. Всего регламентировано 4 разных типов межкадровых интервалов (SIFS, PIFS, DIFS и EIFS).

Стандарт 802.11 использует три класса кадров, транспортируемых через канал: информационные, служебные и управляющие. Формат информационного кадра представлен на рисунке 13.2

Рисунок 13.2 - Формат информационного кадра 802.11. http://citforum.ru/nets/semenov/4/41/i802_418.shtml

Двухоктетное поле управления кадра имеет 11 субполей. Субполе версия протокола позволяет двум протоколам работать в пределах одной ячейки. Поле тип задает разновидность кадра (информационный, служебный или управляющий), а субтип (RTS, CTS или ACK). Биты к DS и от DS указывают на направление транспортировки кадра: к межсотовой системе, например, Ethernet или от нее. Бит MF указывает на то, что далее следует еще один фрагмент. Бит повтор отмечает повторно посылаемый фрагмент. Бит управление питанием используется базовой станцией для переключения в режим пониженного энергопотребления или для выхода из этого режима. Бит продолжение говорит о том, что у отправителя имеются еще кадры для пересылки. Бит W является указателем использования шифрования в теле кадра согласно алгоритму WEP (Wired Equivalent Protocol). Однобитовое поле O сообщает приемнику, что кадры с этим битом (=1) должны обрабатываться строго по порядку.

Поле длительность задает время передачи кадра и его подтверждение. Это поле может присутствовать в служебных кадрах. Именно с учетом этого поля станции выставляют признаки NAV. Заголовок содержит четыре адреса. Это адрес отправителя и получателя, а также адреса ячейки отправителя и места назначения. Поле номер служит для нумерации фрагментов. Из 16 бит номера 12 идентифицируют кадр, а 4 - фрагмент. Управляющие кадры имеют сходный формат, только там отсутствуют поля базовых станций, так как эти кадры не покидают пределов сотовой ячейки. В служебных кадрах отсутствуют поля данные и номер, ключевым здесь является содержимое поля субтип (RTS, CTS или ACK).

Для обеспечения безопасности (ведь к такой сети достаточно легко подключиться) используется алгоритм WEP (Wired Equivalent Privacy). Длина ключа 40 или 104 разряда. Предусмотрена возможность шифрования сообщений и аутентификации с использованием двухключевых схем. (смотри www.rsasecurity.com/rsalabs/technotes/wep-fix.html).