Архітектура, компоненти мережі і стандарти технології WI-FI
Зміст
IEEE 802.11
Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 - це стандарт організації бездротових комунікацій на обмеженій території в режимі локальної мережі, тобто коли декілька абонентів мають рівноправний доступ до загального каналу передач.
802.11 - перший промисловий стандарт для бездротових локальних мереж (Wireless Local Area Networks ), або WLAN. Стандарт був розроблений Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 802.11 може бути порівняний із стандартом 802.3 для звичайних дротяних мереж Ethernet.
Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 визначає порядок організації бездротових мереж на рівні управління доступом до середовища (MAC-уровне) і фізичному (PHY) рівні. У стандарті визначений один варіант MAC (Medium Access Control) рівня і три типи фізичних каналів.
Подібно до дротяного Ethernet, IEEE 802.11 визначає протокол використання єдиного середовища передачі, що отримав назву carrier sense multiple access collision avoidance (CSMA/CA). Вірогідність колізій бездротових вузлів мінімізується шляхом попереднього посилання короткого повідомлення ready to send (RTS), воно інформує інші вузли про тривалість майбутньої передачі і адресата. Це дозволяє іншим вузлам затримати передачу на якийсь час, рівне оголошеній тривалості повідомлення. Приймальна станція повинна відповісти на RTS посилкою clear to send (CTS). Це дозволяє вузлу, що передає, дізнатися, чи вільне середовище і чи готовий приймальний вузол до прийому. Після отримання пакету даних приймальний вузол повинен передати підтвердження (ACK) факту безпомилкового прийому. Якщо ACK не отримане, спроба передачі пакету даних буде повторена.
У стандарті передбачено забезпечення безпеки даних, яке включає аутентифікацію для перевірки того, що вузол, що входить в мережу, авторизований в ній, а також шифрування для захисту від підслуховування.
На фізичному рівні стандарт передбачає два типи радіоканалів і один інфрачервоного діапазону. У основу стандарту 802.11 покладена стільникова архітектура. Мережа може складатися з однієї або декількох осередків (стільник). Кожна стільника управляється базовою станцією, званою точкою доступу (Access Point, AP). Точка доступу і що знаходяться в межах радіусу її дії робочі станції утворюють базову зону обслуговування (Basic Service Set, BSS). Точки доступу багатостільникової мережі взаємодіють між собою через розподільну систему (Distribution System, DS), що є еквівалентом магістрального сегменту кабельних ЛС. Вся інфраструктура, що включає точки доступу і розподільну систему, утворює розширену зону обслуговування (Extended Service Set). Стандартом передбачений також односотовый варіант бездротової мережі, який може бути реалізований і без точки доступу, при цьому частина її функцій виконується безпосередньо робочими станціями.
Різновиди стандарту IEEE 802.11
В даний час існує безліч стандартів сімейства IEEE 802.11:
802.11
Первинний основоположний стандарт. Підтримує передачу даних по радіоканалу з швидкостями 1 і 2 (опционально) Мбіт/с.
802.11a
Він є найбільш "широкосмуговим" з сімейства стандартів 802.11, передбачаючи швидкість передачі даних до 54 Мбіт/с (редакцією стандарту, затвердженою в 1999 р., визначено три обов'язкові швидкості - 6, 12 і 24 Мбіт/с і п'ять необов'язкових - 9, 18, 36, 48 і 54 Мбіт/с). Реальна швидкість зазвичай розташовується в межах 22-26 Мб/с. На відміну від базового стандарту, орієнтованого на область частот 2,4 Ггц, специфікаціями 802.11а передбачена робота в діапазоні 5 Ггц. Як метод модуляції сигналу вибрано ортогональне частотне мультиплексування (OFDM). Найбільш істотна відмінність між цим методом і радіотехнологіями DSSS і FHSS полягає в тому, що OFDM припускає паралельну передачу корисного сигналу одночасно по декількох частотах діапазону, тоді як технології розширення спектру передають сигнали послідовно. В результаті підвищується пропускна спроможність каналу і якість сигналу. До недоліків 802.11а відносяться вища споживана потужність радіопередавачів для частот 5 Ггц, а так само менший радіус дії (устаткування для 2,4 Ггц може працювати на відстані до 300м, а для 5ГГц - біля 100м). Підводячи короткий підсумок відзначимо, що дана версія є як би "бічною гілкою" основного стандарту 802.11. Для збільшення пропускної спроможності каналу тут використовується діапазон частот передачі 5,5 Ггц. Для передачі в 802.11a використовується метод множини що несуть, коли діапазон частот розбивається на підканали з різними частотами (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), що несуть, по яких потік передається паралельно, розбитим на частини. Використання методу квадратурної фазової модуляції дозволяє досягти пропускної спроможності каналу 54 Мбіт/сек.
802.11b
Завдяки високій швидкості передачі даних (до 11 Мбіт/с), практично еквівалентна пропускній спроможності звичайних дротяних ЛС Ethernet, а також орієнтації на "освоєний" діапазон 2,4 Ггц, цей стандарт завоював найбільшу популярність у виробників устаткування для безпровідних мереж. У остаточній редакції стандарт 802.11b, відомий також як Wi-Fi (wireless fidelity), був прийнятий в 1999р. Як базова радіотехнологія в ньому використовується метод DSSS з 8-розрядними послідовностями Уолша. Оскільки устаткування, що працює на максимальній швидкості 11 Мбіт/с має менший радіус дії, чим на нижчих швидкостях, то стандартом 802.11b передбачено автоматичне пониження швидкості при погіршенні якості сигналу. Як і у разі базового стандарту 802.11, чіткі механізми роумінгу специфікаціями 802.11b не визначені. Цей стандарт є найбільш популярним на сьогоднішній день і, власне, він носить торгову марку Wi-Fi. Як і в первинному стандарті IEEE 802.11, для передачі в даній версії використовується діапазон 2,4 Ггц. Він не зачіпає канальний рівень і вносить зміни до IEEE 802.11 тільки на фізичному рівні. Для передачі сигналу використовується метод прямої послідовності (Direct Sequence Spread Spectrum), при якому весь діапазон ділиться на 5 піддіапазонів, що перекривають один одного, по кожному з яких передається інформація. Значення кожного біта кодуються послідовністю додаткових код (Complementary Code Keying). Пропускна спроможність каналу при цьому складає 11 Мбіт/сек.
802.11з
Цей стандарт регламентує роботу бездротових мостів. Дана специфікація використовується виробниками бездротових пристроїв при розробці точок доступу.
802.11d
Прагнучи розширити географію розповсюдження мереж стандарту 802.11, IEEE розробляє універсальні вимоги до фізичного рівня 802.11 (процедури формування каналів, псевдовипадкові послідовності частот, додаткові параметри для MIB і так далі). Відповідний стандарт 802.11d поки знаходиться у стадії розробки. Стандарт визначає вимоги до фізичних параметрів каналів (потужність випромінювання і діапазони частот) і пристроїв безпровідних мереж з метою забезпечення їх відповідності законодавчим нормам різних країн.
802.11e
Специфікації стандарту 802.11е, що розробляється, дозволяють створювати мультисервисные безпровідні ЛС, орієнтовані на різні категорії користувачів, як корпоративних так і індивідуальних. При сохраненеии повної сумісності з вже прийнятими стандартами 802.11а і b, він дозволить розширити їх функціональність за рахунок підтримки потокові мультимедіа-дані і гарантована якість послуг (QOS). Попередній варіант специфікацій 802.11е повинен був бути затверджений до кінця 2001г. Створення даного стандарту зв'язане з використанням засобів мультимедіа. Він визначає механізм призначення пріоритетів різним видам трафіку - таким, як аудіо- і відеододатки.
802.11f
Cпецификации 802.11f описують протокол обміну службовою інформацією між точками доступу (Inter-Access Point Protocol, IAPP), що необхідне для побудови розподілених безпровідних мереж передачі даних. Дата затвердження цих специфікацій як стандарт поки була не визначена. Даний стандарт, пов'язаний з аутентифікацією, визначає механізм взаємодії точок зв'язку між собою при переміщенні клієнта між сегментами мережі. Інша назва стандарту - Inter Access Point Protocol.
802.11g
Специфікації 802.11g, що знаходяться зараз у стадії розгляду, є розвитком стандарту 802.11b і дозволяють підвищити швидкість передачі даних в безпровідних ЛС до 22 Мбіт/с (а можливо, і вище) завдяки використанню ефективнішої модуляциии сигналу. З декількох пропозицій по базовій радіотехнології для стандарту робоча група IEEE недавно вибрала вирішення компанії Intersil, засноване на методі OFMD, проте остаточне ухвалення 802.11g очікується тільки до кінця 2002 р. Одним з достоїнств майбутнього стандарту є зворотна сумісність з 802.11b.
802.11h
Робоча група IEEE 802.11h розглядає можливість доповнення існуючих специфікацій 802.11 MAC (рівень доступу до середовища передачі) і 802.11a PHY (фізичний рівень в мережах 802.11a) алгоритмами ефективного вибору частот для офісних і вуличних безпровідних мереж, а також засобами управління використанням спектру, контролю за випромінюваною потужністю і генерації відповідних звітів. Передбачається, що вирішення цих завдань базуватиметься на використанні протоколів Dynamic Frequency Selection (DFS) і Transmit Power Control (TPC), запропонованих Європейським інститутом стандартів по телекомунікаціях (ETSI). Вказані протоколи передбачають динамічне реагування клієнтів безпровідної мережі на інтерференцію радіосигналів шляхом переходу на інший канал, зниження потужності або обома способами. Розробка даного стандарту пов'язана з проблемами при використанні 802.11а в Європі, де в діапазоні 5 Ггц працюють деякі системи супутникового зв'язку. Для запобігання взаємним перешкодам стандарт 802.11h має механізм "квазіінтелектуального" управління потужністю випромінювання і вибором частоти передачі, що несе.
802.11i
До травня 2001 р. стандартизація засобів інформаційної безпеки для безпровідних мереж 802.11 відносилася до ведення робочої групи IEEE 802.11e, але потім ця проблематика була виділена в самостійний підрозділ. Стандарт 802.1X, що розробляється, покликаний розширити можливості протоколу 802.11 MAC, передбачивши засоби шифрування передаваних даних, а також централізованої аутентифікації користувачів і робочих станцій. В результаті масштаби безпровідних локальних мереж можна буде нарощувати до сотень і тисяч робочих станцій. У основі 802.1X лежить протокол аутентифікації Extensible Authentication Protocol (EAP), що базується на PPP. Сама процедура аутентифікації припускає участь в ній трьох сторін - що викликає (клієнта), викликається (точки доступу) і сервера аутентифікації (як правило, сервера RADIUS). В той же час новий стандарт, судячи з усього, залишить на розсуд виробників реалізацію алгоритмів управління ключами. Засоби захисту даних, що розробляються, повинні знайти застосування не тільки в безпровідних, але і в інших локальних мережах - Ethernet і Token Ring. От чому майбутній стандарт отримав номер IEEE 802.1X, а його розробку група 802.11i веде спільно з комітетом IEEE 802.1. Метою створення даної специфікації є підвищення рівня безпеки безпровідних мереж. У ній реалізований набір захисних функцій при обміні інформацією через безпровідні мережі - зокрема, технологія AES (Advanced Encryption Standard) - алгоритм шифрування, що підтримує ключі завдовжки 128, 192 і 256 битий. Передбачається сумісність всіх використовуваних зараз пристроїв - зокрема, Intel Centrino - з 802.11i-сетями.
802.11j
Специфікація 802.11j - настільки нова, що IEEE ще офіційно не сформував робочу групу для її обговорення на момент публікації. Передбачається, що стандарт обумовлюватиме існування в одному діапазоні мереж стандартів 802.11a і HiperLAN2. Специфікація призначена для Японії і розширює стандарт 802.11а додатковим каналом 4,9 Ггц. .
802.11n
Цей стандарт був затверджений 11 вересня 2009 року. Стандарт 802.11n підвищує швидкість передачі даних практично вчетверо в порівнянні з пристроями стандартів 802.11g (максимальна швидкість яких дорівнює 54 Мбіт/с або близько 20 Мбіт/с), за умови використання в режимі 802.11n з іншими пристроями 802.11n. Теоретично 802.11n здатний забезпечити швидкість передачі даних до 600 Мбіт/с, застосовуючи передачу даних відразу за чотирма антен. Однією антеною - до 150 Мбіт/с. Пристрої 802.11n працюють в діапазонах 2,4-2,5 або 5,0 ГГц. Крім того, пристрої 802.11n можуть працювати в трьох режимах:
- успадкований (Legacy), в якому забезпечується підтримка пристроїв 802.11b/g/a;
- змішаному (Mixed), в якому підтримуються пристрої 802.11b/g/a/n;
- «чистому» режимі - 802.11n (саме в цьому режимі і можна скористатися перевагами підвищеної швидкості і збільшеною дальністю передачі даних, забезпечуваними стандартом 802.11n).
Чорнову версію стандарту 802.11n (DRAFT 2.0) підтримують багато сучасних мережевих пристроїв. Підсумкова версія стандарту (DRAFT 11.0), яка була прийнята 11 вересня 2009 року, забезпечує:
- швидкість до 300 Мбіт/с;
- багатоканальний вхід/вихід, відомий як MIMO;
- більше покриття.
Станом на сьогодні, більшість сучасних пристроїв підтримують даний стандарт.
802.11r
Даний стандарт передбачає створення універсальної і сумісної системи роуминга для можливості переходу користувача із зони дії однієї мережі в зону дії інший.
Найпопулярніше
Зі всіх існуючих стандартів бездротової передачі даних IEEE 802.11, на практиці найчастіше використовуються всього три, визначених Інженерним інститутом електротехніки і радіоелектроніки (IEEE), це: 802.11b, 802.11g і 802.11n.
| Стандарт | 802.11b | 802.11g | 802.11n |
|---|---|---|---|
| Кількість використовуваних радіоканалів | 3 що не перекриваються | 3 що не перекриваються | 52 що не перекриваються |
| Частотний діапазон | 2.4 ГГц | 2.4 ГГц | 2.4 ГГц та 5 ГГц |
| Макс. швидкість передачі даних | 11 Мб/с | 54 Мб/с | 300 Мб/с |
| Приблизна дальність дії | 30 м при 11 Мб/с; 100 м при 1 Мб/с | 15 м при 54 Мб/с; 50 м при 11 Мб/с | 12 м при 300 Мб/с; |
802.11b. У остаточній редакції широко поширений стандарт 802.11b був прийнятий в 1999 р. і завдяки орієнтації на вільний від ліцензування діапазон 2,4 ГГц завоював найбільшу популярність у виробників устаткування. Пропускна спроможність (теоретична 11 Мбіт/с, реальна, — від 1 до 6 Мбіт/с) відповідає вимогам більшості додатків. Оскільки устаткування 802.11b, що працює на максимальній швидкості 11 Мбіт/с, має менший радіус дії, чим на нижчих швидкостях, то стандартом 802.11b передбачено автоматичне пониження швидкості при погіршенні якості сигналу.
До початку 2004 року в експлуатації знаходилося близько 15 млн. радіопристроїв 802.11b.
В кінці 2001-го з'явився - стандарт бездротових локальних мереж 802.11a, що функціонують в частотному діапазоні 5 ГГц (діапазон ISM). Бездротові ЛВС стандарту IEEE 802.11a забезпечують швидкість передачі даних до 54 Мбіт/с, тобто приблизно в п'ять разів швидше за мережі 802.11b, і дозволяють передавати великі об'єми даних, чим мережі IEEE 802.11b.
До недоліків 802.11а відносяться велика споживана потужність радіопередавачів для частот 5 ГГц, а також менший радіус дії (устаткування для 2,4 ГГц може працювати на відстані до 300 м, а для 5 ГГц — близько 100 м). Крім того, пристрої для 802.11а дорожчі, але з часом ціновий розрив між продуктами 802.11b і 802.11a зменшуватиметься.
802.11g є новим стандартом, що регламентує метод побудови WLAN, який функціонує в неліцензійному частотному діапазоні 2,4 ГГц. Максимальна швидкість передачі даних в бездротових мережах IEEE 802.11g складає 54 Мбіт/с. Стандартом 802.11g є розвиток 802.11b і сумісний з 802.11b. Відповідно ноутбук з картою 802.11g зможе підключатися і до точок доступу 802.11b, що вже діють, і до знов створюваним 802.11g. Теоретично 802.11g володіє достоїнствами двох своїх попередників. У числі переваг 802.11g треба відзначити низьку споживану потужність, велику дальність дії і високу проникаючу здатність сигналу. Можна сподіватися і на розумну вартість устаткування, оскільки низькочастотні пристрої простіші у виготовленні.
Схема функціонування WIFI мережі
1. Сервер
2. Точка доступа
3. WiFi адаптер
4. Пристрій локальної мережі
5. Пристрій локальної мережі
Перейти до Технологія WI-FI
