8.2 Сети wlan

Wi-Fi (семейство стандартов IEEE 802.11). Работы над единым стандартом беспроводных локальных сетей начались в 1989 году, когда была организована рабочая группа 11-го комитета IEEE 802. В июле 1997 года в результате работы этой группы был опубликован стандарт IEEE 802.11 Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specification (Спецификация физического уровня и уровня контроля доступа к каналу передачи беспроводных локальных сетей) [59]. Вместе с тем, первые реально действующие устройства появились на рынке ещё до появления этого стандарта, в начале-середине 90-х годов 20 века. Эти решения продвигались рядом компаний под общим коммерческим названием Radio Ethernet. После принятия стандарта IEEE 802.11 это название было перенесено на оборудование, выпущенное в соответствии с ним.

Стандарт IEEE 802.11 определял архитектуру сети и вытекающие из этого требования к функциям устройств, принципы доступа устройств к каналам связи, формат пакетов передачи, способы аутентификации и защиты данных. Хотя изначально стандарт задумывался как инвариантный по отношению к какому-либо частотному диапазону, на физическом уровне он определял три способа работы: два радиочастотных (метод модуляции с расширением спектра методом частотных скачков FHSS и метод прямой последовательности DSSS в диапазоне 2,400 – 2,4835 GHz) и оптический (в инфракрасном диапазоне методом импульсно-позиционной модуляции). Скорости обмена устанавливались на уровне 1 и 2 Мбит/с [59].

Устройства, соответствующие исходной спецификации IEEE 802.11, широкого распространения получить не успели. Это связано с высокой стоимостью оборудования того времени, а также с быстрым ростом пропускной способности проводных сетей Ethernet. Дело в том, что из-за дороговизны первоначально решения Radio Ethernet чаще всего использовались как беспроводной сегмент в составе проводных Ethernet-

210

сетей (соединение двух сетей, подключение удалённых пользователей, организация подключения локальной сети к Internet и т. п.). А в этом случае в связи с ростом пропускной способности проводных локальных сетей скорость передачи 2 Мбит/с очень быстро перестала удовлетворять пользователей, так как беспроводной сегмент тормозил работу всей объединённой сети. Впрочем, уже оборудование стандарта IEEE 802.11 предполагало как использование направленных антенн для построения сети типа „точка-точка“ (при этом дальность связи в теории могла достигать 25 км), так и всенаправленных для построения сетей типа „звезда“ и „каждый с каждым“ [84].

Дальнейшим развитием стандарта IEEE 802.11 стала разработка стандартов (дополнений) IEEE 802.11b, 802.11а и 802.11g [59]. Сегодня сети этих стандартов больше известны широкой публике под коммерческим названием Wi-Fi (русская транскрипция вай-фай), которое является сокращением английского словосочетания Wireless Fidelity (wireless – беспроводной, fidelity – точность передачи информации) [81]. Впервые это название было присвоено стандарту IEEE 802.11b международной ассоциацией WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) [85]. В ряде источников приводится версия, согласно которой аббревиатура Wi-Fi была составлена по аналогии с буквенным сочетанием Hi-Fi (сокращение от английского сочетания high fidelity – высокая точность [47], русская транскрипция хай-фай), которым маркируется звуковоспроизводящая техника высокого качества.

Первым из трёх дополнений стал утвержденный 16 сентября 1999 года стандарт IEEE 802.11b. Он описывал физический и МАС-уровни беспроводных сетей для работы в диапазоне 2,4 GHz (точнее, от 2,4 до 2,4835 GHz – диапазон, использующийся в промышленности, науке и медицине и безлицензионный в большинстве стран) [85]. Стандарт определял работу на скоростях 1 и 2 Мбит/с с модуляцией только методом DSSS. Кроме этого, предусматривалась передача на скоростях 5,5 и 11 Мбит/с посредством модуляции комплиментарных кодовых последовательностей CCK (в дальнейшем – обязательные для технологии Wi-Fi скорости [85]), а также на скоростях 22 и 33 Мбит/с посредством пакетного бинарного сверточного кодирования PBCC (аппаратуре, поддерживающей скорость 22 Мбит/с, было даже присвоено специальное обозначение IEEE 802.11b+, хотя в дальнейшем подобные сети распространения не получили) [59]. IEEE 802.11b обратно совместим с исходным стандартом IEEE 802.11.

Стандарт IEEE 802.11а, описывающий работу в диапазоне 5 GHz (точнее, 5,35 – 5,51 и 5,725 – 5,825 GHz), был принят практически одновременно с IEEE 802.11b в сентябре 1999 года [59]. В нём использован принципиально иной механизм модуляции (мультиплексирования) – частотное мультиплексирование посредством ортогональных несущих

211

OFDM [59]. В Украине этот стандарт распространения не получил, так как диапазон частот около 5 GHz закрыт для нужд Wi-Fi: в нём работают специальные средства связи и радиолокации [85], хотя разговоры о предоставлении лицензий для систем передачи данных в этом диапазоне периодически ведутся. Данный стандарт предполагает работу на скоростях 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с [81], в связи с использованием другого частотного диапазона и механизма передачи он несовместим с IEEE 802.11 и IEEE 802.11b.

В июне 2003 года был утвержден новый высокоскоростной стандарт IEEE 802.11g для диапазона частот 2,4 GHz, допускающий скорость работы до 54 Мбит/с (как и IEEE 802.11а). Вместе с тем данный стандарт обратно совместим с IEEE 802.11 и IEEE 802.11b [59, 81]. Поскольку частотный диапазон 2,4 GHz в большинстве стран может быть использован в безлицензионном режиме, основная масса производимых на сегодняшний день (лето 2009 года) Wi-Fi адаптеров обычно отвечает стандартам b/g.

В 2006 году был утвержден ещё более скоростной стандарт IEEE 802.11n (Draft). В начале разработки он был ориентирован на скорости передачи данных свыше 100 Мбит/с [59], потом – на скорости до 320 Мбит/с [86], а окончательная спецификация подразумевает работу на скоростях до 540 Мбит/с [83]. Такая скорость передачи в большинстве случаев не может повлиять на скорость работы в сети Internet (скорости подключения к которой редко превышают 10 Мбит/с), её можно реализовать только внутри локальной сети. Целый ряд производителей ноутбуков и сетевых устройств уже предлагает на рынке модели, поддерживающие сети IEEE 802.11n [83]. В основу стандарта IEEE 802.11n положена технология антенных систем MIMO [59]. Стандарт работает в диапазоне частот 2,4 GHz и обратно совместим со стандартами IEEE 802.11b/g.

Помимо всего этого, разрабатывается мобильная версия стандарта IEEE 802.11p и дополнение, предназначенное для предоставления гарантированного качества связи (QoS) – IEEE 802.11е [59]. Стандарт IEEE 802.11i опубликован в 2004 году и определяет механизмы защиты данных в беспроводных сетях. Он должен прийти на замену протоколу WEP (Wireless Encryption Protocol, протокол шифрования в беспроводной связи, другое название Wired Equivalent Privacy, эквивалент проводной конфиденциальности). Протокол WEP является составной частью стандарта IEEE 802.11b, он основывается на схеме шифрования RC4 и обеспечивает 40-разрядное шифрование переданных по радиоканалу данных. WEP не отличается надежностью, так как допускает использование одного и того же ключа шифрования. Другим вариантом замены WEP (помимо IEEE 802.11i) может стать протокол WPA (Wi-Fi Protected Access), предложенный ассоциацией Wi-Fi Alliance [81].

В целом сегодня коммерческое название „Wi-Fi“ распространилось на всё семейство стандартов IEEE 802.11. Источник [83] определяет его

212

следующим образом: Wi-Fi – сертифицированный стандарт связи, подразумевающий работу беспроводной сети 802.11-типа на частотах 2,4 или 5 GHz.

Стандарт IEEE 802.11 первоначально разрабатывался, как „беспроводной Ethernet“, он предусматривает пакетную передачу с 48-битными адресами пакетов, как и любая сеть Ethernet. Это же утверждение справедливо для более поздних дополнений IEEE 802.11b, IEEE 802.11а, IEEE 802.11g и IEEE 802.11n. Комитет IEEE 802 особое внимание уделял совместимости всех стандартов, в результате проводные и беспроводные сети IEEE 802 легко сопрягаются друг с другом [59].

Стандарты семейства IEEE 802.11 предусматривают два основных способа организации локальной сети: по принципу „равный с равным“ (ad-hoc-сеть, одноранговый режим) и в виде структурированной сети (режим инфраструктуры). В первом случае связь устанавливается непосредственно между двумя станциями, и никакого администрирования сети не предусмотрено. В случае построения структурированной сети (а как показала практика, это основной способ построения сетей данных стандартов) в их составе появляется дополнительное устройство – точка доступа AP (Access Point), как правило, стационарная и действующая на фиксированном канале. Радиус действия точки доступа теоретически может составлять до 300 метров, хотя обычно дело ограничивается 50 – 100 метрами (последнее кроме внешних условий распространения сигнала и типа антенны зависит ещё и от разновидности стандарта, на основе которого строится сеть). Если мы имеем дело с открытой для всех точкой доступа в публичном для доступа к Internet месте, её ещё называют hot spot (дословно с англ. „горячее место“ или „оживлённое место“, русская транскрипция хот спот). При наличии AP связь между устройствами в сети происходит только через неё. Через точку доступа возможен также выход и во внешние проводные сети. В сетях стандартов IEEE 802.11 может быть несколько AP, объединённых проводной сетью Ethernet. Фактически такая сеть представляет собой набор базовых станций с перекрывающимися зонами охвата. Стандарты допускают перемещения устройств из зоны действия одной AP в зону другой (роуминг), тем самым обеспечивая мобильность станций [59]. В момент перехода из зоны в зону (так называемый Hand-over, дословно с англ. „передать из рук в руки“) передача данных на мгновение прервётся, хотя пользователь этого, как правило, не замечает.

Аппаратная реализация стандартов семейства IEEE 802.11 – специализированный набор микросхем или единый чипсет, на основе которых строятся законченные устройства. Антенны могут быть как внешними или выносными (узконаправленные или всенаправленные, последние встречаются чаще всего), так и вытравленными на печатной плате (всенаправленные). Устройства указанных стандартов делятся на две

213

большие группы: точки доступа и адаптеры, встраиваемые в клиентскую аппаратуру.

Точки доступа (AP) монтируются в отдельном корпусе с внешним питанием и оборудуются внешними антеннами (или возможностью подключения выносной антенны). Обычная точка доступа работает под управлением одного из подключённых к ней компьютеров, который фактически выполняет роль сетевого сервера. Это не всегда удобно в работе и настройке (требуется установка специального ПО, поставляемого вместе с точкой доступа, задействуется часть ресурсов компьютера, который к тому же должен быть постоянно включен). Другим вариантом является использование Wi-Fi роутера – комбинированного устройства, включающего в себя помимо собственно беспроводной точки доступа порты доступа к проводной сети Ethernet, ADSL-модем (или модем другого стандарта для доступа в Internet, наличие которого, впрочем, необязательно) и интеллектуальный маршрутизатор (router). Wi-Fi роутер самостоятельно осуществляет маршрутизацию, то есть берет на себя роль сетевого сервера, распределяющего высокоскоростной кабельный или ADSL доступ к Internet и обеспечивающего связь между компьютерами (рабочими станциями) внутри сети. Несмотря на большую стоимость по сравнению с обычными точками доступа подобные устройства получают всё большее распространение благодаря высвобождению ресурсов рабочих станций, простоте настройки и стабильной работе [87].

Wi-Fi адаптеры работают непосредственно с клиентской аппаратурой и в отсутствие точки доступа могут организовывать только одноранговую сеть. Они могут быть как встроенными в аппаратуру (ноутбуки, смартфоны, коммуникаторы, PDA, принтеры, фотоаппараты, специальные телефонные аппараты для VoIP телефонии и т. д.), так и подключаемыми. Подключаемые адаптеры могут быть внутренними (PCI-E карты для настольных ПК) и внешними (PCMCIA карты, Express Card 34 и 54 мм для ноутбуков, карты в форматах Compact Flash и CD для PDA, USB-модули для ноутбуков или настольных ПК). Все подключаемые адаптеры обычно работают под управлением собственных драйверов и ПО, последние модели могут содержать такое ПО во встроенной flash-памяти [87].

Сфера применения Wi-Fi сетей очень широка. Первоначально предполагалось, что они полностью или частично заменят проводные локальные сети. Действительно, до сих пор такие решения можно встретить как в виде одноранговых сетей, (например, к ноутбуку подключается принтер), так и в виде разветвлённой сети на основе точки доступа (беспроводная сеть из нескольких стационарных компьютеров разворачивается временно или в условиях, когда невозможно проложить кабели). Но основной сферой применения Wi-Fi стала сегодня организация доступа в Internet в публичных местах (организация хот спотов) и строительство полностью или частично беспроводных локальных сетей с

214

возможностью доступа в них мобильных пользователей. Такая необходимость возникает при компьютеризации складов большой площади, крупных торговых центров, предприятий, офисов и т. д. Кроме того, если на предприятии или в организации развёрнута Wi-Fi сеть, можно снабдить сотрудников Wi-Fi мобильными и стационарными телефонными аппаратами. Это позволит перевести в VoIP (Voice over IP, передача голоса поверх IP-протокола по сети с пакетной коммутацией) весь голосовой трафик, начиная с местного внутри организации и заканчивая международным. Существуют и двухстандартные мобильные GSM/Wi-Fi терминалы, способные при выходе из зоны действия Wi-Fi сети автоматически переключаться в GSM-сети общего пользования. Такое решение позволяет фактически отказаться от проводной телефонной сети внутри предприятия, офисной АТС (её роль возьмет на себя сетевой сервер) и получить существенную экономию на междугородных и международных звонках, осуществляемых посредством IP-телефонии.

Учитывая радиус действия сетей, построенных по технологии Wi-Fi, на её основе обычно строятся WLAN-сети. Но если использовать сотовый принцип построения сети, можно покрыть Wi-Fi сетью довольно значительные территории. Так, в Париже в 2007 году запущена общегородская бесплатная сеть доступа в Internet с начальным количеством точек доступа около 500 и радиусом действия точки 300 – 500 м (на открытом воздухе). Подобные сети планируется создать и в других городах Франции. Таким образом, сети беспроводной передачи данных с сотовой структурой на основе технологии Wi-Fi смело можно отнести к классу WMAN.