Текст книги "Беспроводная сеть своими руками"

1.5. IPX и SPX

Протоколы IPX и SPX являются представителями стека протоколов, разработанных компанией Novell. В свое время эта компания являлась прямым конкурентом Microsoft в области сетевых операционных систем: противостояли операционная система Novell Netware и Windows NT. Соответственно, каждая операционная система использовала собственный набор протоколов.

Как известно, компания Novell сдала свои позиции, и первенство завоевали сетевые версии операционной системы Windows NT. Тем не менее протоколы, разработанные Novell, используются до сих пор и будут использоваться еще очень долго.

IPX (Internetwork Packet eXchange, протокол межсетевого обмена объектами) – один из самых «ходовых» протоколов, используемых на сетевом уровне. Главной его задачей является определение оптимального маршрута между двумя выбранными компьютерами с использованием для этого данных других протоколов.

В первую очередь данный протокол вычисляет адрес компьютера, которому необходимо отправить пакет – дейтаграмму. Определив адрес нужного компьютера, он снабжает дейтаграмму служебной информацией (адресом отправителя и получателя) и отправляет «в путь» по выбранному маршруту.

Однако самостоятельно этот протокол работать не может, поскольку не способен устанавливать соединение между компьютерами. Соответственно, от IPX нельзя ожидать высокой степени надежности доставки пакетов.

SPX (Sequenced Packet eXchange, последовательный обмен пакетами) – «родной брат» IPX, без которого его нельзя назвать полноценным протоколом. Эти протоколы используются вместе и имеют общее название – IPX/SPX.

Главная задача протокола SPX – установка логического соединения между выбранными компьютерами с последующей передачей подготовленных дейтаграмм.

1.6. SMTP, POP3 и IMAP

Без протоколов SMTP, POP3 и IMAP невозможна работа электронной почты. Надеюсь, что такое электронная почта и как без нее плохо, объяснять не нужно.

Особенностью этих протоколов является их узкая направленность. Это означает, что их принципиально невозможно использовать для других целей, что, к тому же, не имеет смысла. Задача SMTP, POP3 и IMAP – организация обмена электронными сообщениями, и они отлично с ней справляются.

Еще одной особенностью почтовых протоколов является однозадачность. Например, протокол, отсылающий сообщения, не способен их принимать, и наоборот. Именно поэтому такие протоколы работают парами.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol, упрощенный протокол пересылки почты) – протокол, основной задачей которого является отсылка подготовленных специальным образом сообщений. Перед тем, как это сделать, протокол устанавливает соединение между компьютерами, что гарантирует доставку сообщения.

Протокол SMTP очень простой и эффективный, однако эта эффективность не распространяется на все задачи и возможности. Так, он не обладает даже простейшим механизмом аутентификации и возможностью шифрования данных при передаче между почтовыми серверами. Самым большим недостатком SMTP является его неспособность к пересылке графики.

Чтобы не отказываться от этого довольно хорошего протокола, было принято решение расширить его несколькими полезными и необходимыми расширениями. Таким расширением, например, является MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions, многоцелевое расширение почтовой службы в Интернете), благодаря которому существует возможность отсылать файлы любого формата и содержания. Кроме того, разработан стандарт UUENCODE, позволяющий передавать текстовые сообщения в разных кодировках.

POP3 (Post Office Protocol 3, почтовый протокол версии 3) – почтовый протокол, который используется для приема электронных сообщений с почтового сервера.

Обычно POP3 работает в паре с протоколом SMTP, что позволяет организовать эффективную систему отсылки и приема электронных сообщений.

Интерфейс протокола еще более простой, чем интерфейс SMTP, и с этим связаны определенные неудобства. Так, отсутствует возможность выборочного скачивания письма или просмотра содержимого письма непосредственно на почтовом сервере.

IMAP (Interactive Mail Access Protocol, протокол интерактивного доступа к электронной почте) – наиболее «продвинутый» почтовый протокол, предназначенный для приема электронных сообщений с почтового сервера. В большинстве случаев более удобным и эффективным является использование протокола IMAP, чем POP3.

К достоинствам протокола относится возможность частичного скачивания письма, разбития принимаемого письма на части с последующим склеиванием и многое другое.

1.7. SLIP, РРР, HTTP и FTP

Данные протоколы предназначены для организации выхода в Интернет и работы в нем с использованием различных браузеров, менеджеров закачек и др.

С протоколами SLIP (Serial Line Internet Protocol, протокол последовательного подключения к Интернету) и PPP (Point-to-Point Protocol, протокол двухточечной связи) в основном работают провайдеры, которые используют для организации доступа в Интернет выделенные телефонные линии или другие каналы.

SLIP и PPP используются для организации постоянного подключения к Интернету с помощью модема. Для обычного пользователя наличие постоянного соединения с Интернетом является достаточно дорогим, поскольку при этом нужно платить как за время пребывания в Интернете, так и за используемую телефонную линию. Это могут позволить себе только достаточно крупные компании и интернет-провайдеры. Первые из них, как правило, в этом случае располагают одним или несколькими серверами с данными, а также личными веб-страницами, которые должны быть постоянно доступны через Интернет. Вторые используют постоянное подключение, поскольку это их работа.

Протоколы SLIP и PPP работают на нижних уровнях модели взаимодействия открытых систем, что позволяет специальным образом готовить пакеты данных для передачи их другими протоколами, например TCP/IP или IPX/SPX. Главное отличие протокола SLIP от протокола PPP заключается в том, что первый работает только на компьютерах с установленной операционной системой Unix и протоколом TCP/IP, а второй используется на компьютерах, работающих под управлением системы класса Windows NT, которая умеет обращаться практически с любыми протоколами передачи данных.

HTTP (HyperText Transport Protocol, гипертекстовый транспортный протокол) – протокол, предназначенный для организации пересылки данных веб-страниц по Интернету или локальной сети. За время своего существования этот протокол претерпел значительные изменения; известно несколько его версий.

Особенностью протокола HTTP является то, что он может передавать любую информацию – текстовую и графическую. Это позволяет использовать при разработке веб-страниц дополнительные средства, которые делают их анимированными и красиво оформленными.

FTP (File Transfer Protocol, протокол передачи файлов) – протокол, изначально разработанный и применяемый для передачи файлов с помощью Интернета. Без этого протокола было бы невозможным скачивание из Сети музыки, фильмов и других объемных данных, без которых современный пользователь компьютера не может представить свою жизнь. Существует множество программ, которые, используя протокол FTP, позволяют скачивать значительные объемы информации даже в условиях плохого соединения и низкой скорости передачи данных.

Глава 2
Топология и стандарты

• Архитектура беспроводных сетей.

• Методы и технологии модуляции сигнала.

• Стандарты Radio Ethernet.

• Преимущества и недостатки беспроводной сети.

Итак, вы уже знаете, что сеть и все, что с ней связано, основывается на модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI, разработанной международной организацией по стандартам. Однако для создания сети этого недостаточно. Главной задачей при проектировании сети является использование правильной сетевой топологии и стандарта, который описывает скорость передачи данных, радиус действия сети, тип оборудования и многое другое.

2.1. Архитектура беспроводных сетей

Развитие беспроводных сетей, как и многое другое, проходит под неусыпным контролем соответствующих организацией. Самой главной среди них является IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers, Международный институт инженеров электротехники и электроники). В частности, беспроводные стандарты, сетевое оборудование и все, что относится к беспроводным сетям, контролирует рабочая группа WLAN (Wireless Local Area Network, беспроводная локальная вычислительная сеть), в которую входят более 100 представителей различных университетов и компаний-разработчиков сетевого оборудования. Эта комиссия собирается несколько раз в год с целью совершенствования существующих стандартов и создания новых, базирующихся на последних исследованиях и компьютерных достижениях.

В России также существует ассоциация беспроводных сетей передачи данных – «Беседа», которая занимается ведением единой политики в области беспроводных сетей передачи данных. Эта организация контролирует развитие рынка беспроводных сетей, предоставляет разные услуги при подключении, организует создание и развитие новых центров беспроводного доступа и т. д.

Обратимся к архитектуре беспроводных сетей. На сегодняшний день используется два варианта беспроводной архитектуры или, проще говоря, варианта построения сети: независимая конфигурация (Ad-Hoc) и инфраструктурная конфигурация. Отличия между ними незначительные, однако они кардинально влияют на такие показатели, как количество подключаемых пользователей, радиус сети, помехоустойчивость и т. д.

Какая бы конфигурация сети ни была избрана, стандарты определяют один тип протокола доступа к носителю и разные спецификации для физических каналов.[2]2
  Стандарт IEEE 802.11 предусматривает только три метода передачи данных.


[Закрыть]

Пакеты данных, передаваемых протоколом по физическому каналу, разбиваются на несколько блоков:

• контрольные и адресные данные – 30 байт;

• информационные данные – 2 Кбайт;

• контрольная сумма информационных данных – 4 байт.

Режим независимой конфигурации (рис. 2.1) (IBSS – Independent Basic Service Set, независимый базовый набор служб), котрый часто называют «точка-точка», – самый простой в применении. Соответственно, самым простым является построение и настройка сети с использованием независимой конфигурации.

Рис. 2.1. Режим независимой конфигурации.

Чтобы объединить компьютеры в беспроводную сеть, достаточно оборудовать каждый компьютер адаптером беспроводной связи. Как правило, такими адаптеры изначально комплектуются переносные компьютеры, что сводит построение сети к настройке соответствующих ресурсов и ограничений.

Обычно такой способ используется для организации хаотичной или временной сети, а также в том случае, если другой способ построения сети по каким-либо причинам не подходит.

Хотя режим независимой конфигурации прост в построении, он обладает некоторыми недостатками, главными из которых являются малый радиус действия сети и низкая устойчивость к помехам, что накладывает определенные ограничения на месторасположение компьютеров сети. Кроме того, подключиться к внешней сети или к Интернету в таком случае очень непросто.

Примечание.

При соединении двух компьютеров с использованием узконаправленных антенн радиус действия сети увеличивается и может достигать 30 км и более.

Инфраструктурная конфигурация, или, как ее еще часто называют, «режим клиент/сервер», – более перспективный и быстроразвивающийся вариант беспроводной сети.

Инфраструктурная конфигурация имеет много преимуществ, среди которых возможность подключения достаточно большого количества пользователей, хорошая помехоустойчивость, высокий уровень контроля подключений и многое другое. Кроме того, имеется возможность использования комбинированной топологии и проводных сегментов сети.

Помимо того, что на компьютерах должны быть установлены адаптеры беспроводной связи, для организации беспроводной сети с использованием инфраструктурной конфигурации необходимо иметь как минимум одну точку доступа (Access Point) (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Точка доступа.

В этом случае конфигурация называется базовым набором служб (BSS – Basic Service Set). Точка доступа может работать автономно или в составе проводной сети и может выполнять функцию моста между проводным и беспроводным сегментами сети. При такой конфигурации сети компьютеры «общаются» только с точкой доступа, которая управляет передачей данных между компьютерами (рис. 2.3).

Конечно, одной точкой доступа сеть может не ограничиваться, что и случается по мере роста сети. В этом случае базовые наборы служб образуют единую сеть, конфигурация которой носит название расширенного набора служб (ESS – Extended Service Set). При такой конфигурации сети точки доступа обмениваются между собой информацией, передаваемой с помощью проводного соединения (рис. 2.4) или с помощью радиомостов. Это позволяет эффективно организовывать трафик между сегментами сети (фактически – точками доступа).

Рис. 2.3. Базовый набор служб инфраструктурной конфигурации.

Рис. 2.4. Расширенный набор служб инфраструктурной конфигурации.

2.2. Методы и технологии модуляции сигнала

Каждый новый стандарт использует новые, более быстрые и надежные спецификации для физического уровня:

• спецификация для работы в инфракрасном диапазоне;

• DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, расширение спектра прямой последовательностью) – определяет работу устройств в диапазоне радиочастот по радиоканалам с широкополосной модуляцией с прямым расширением спектра методами прямой псевдослучайной последовательности;

• FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum, расширение спектра за счет скачкообразного изменения частоты) – определяет работу устройств в диапазоне радиочастот по радиоканалам с широкополосной модуляцией со скачкообразной перестройкой частоты псевдослучайными методами;

• OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, ортогональное мультиплексирование с разделением частот) – определяет работу устройств в диапазоне радиочастот по радиоканалам с использованием подканалов с разными несущими частотами;

• PBCC (Packet Binary Convolutional Coding, двоичное пакетное свёрточное кодирование) – метод двоичного пакетного свёрточного кодирования;

• технология кодирования Баркера – описывает способ кодирования данных с помощью последовательностей Баркера;

• CCK (Complementary Code Keying, кодирование с помощью комплементарных кодов) – описывает способ дополнительного кодирования битов передаваемой информации;

• CCK-OFDM – описывает способ кодирования данных с помощью гибридного метода, что позволяет увеличить скорость передачи сигнала при невысокой избыточности данных;

• QAM (Quadrature Amplitude Modulation, квадратурная амплитудная модуляция) – описывает способ квадратурной амплитудной модуляции сигнала, который работает на скорости выше 48 Мбит/с.

Первые образцы оборудования работали в диапазоне частот 902–928 МГц. Данные передавались со скоростью 215–860 Кбит/с при использовании метода расширения спектра прямой последовательностью (DSSS). Указанный диапазон частот разбивался на каналы шириной около 5 МГц (при скорости передачи данных 215 Кбит/с таких каналов получалось пять). При максимальной скорости передачи информации спектр сигнала достигал 19 МГц, в результате чего получался только один частотный канал шириной 26 МГц.

Когда появилось подобное оборудование, то используемой скорости передачи данных было достаточно для выполнения многих задач, если сеть состояла из нескольких компьютеров. Однако чем больше компьютеров подключалось к сети, тем ниже становилась скорость передачи данных. Например, при подключении к сети пяти компьютеров реальная скорость передачи данных в пять раз меньше теоретической. Таким образом, чем больше компьютеров в сети, тем с меньшей скоростью передавались данные, а при теоретической скорости передачи данных 860 Кбит/с возможная скорость передачи вообще составляет «крохи».

Конечно, скорость можно было бы со временем увеличить. Однако начали проявляться последствия других негативных факторов, самым главным из которых стало использование диапазона 900 МГц операторами мобильной связи. Именно этот факт привел к тому, что подобное оборудование для беспроводных сетей не прижилось среди пользователей. В результате анализа сложившейся ситуации было принято решение использовать диапазон частот 2400–2483,5 МГц, а позже – 5,150-5,350 ГГц, 5150–5350 МГц и, наконец, 5725–5875 МГц. Это позволило добиться не только большей пропускной способности таких сетей, но и достаточной защищенности от помех.

Смысл метода расширения спектра прямой псевдослучайной последовательностью (DSSS) заключается в приведении узкополосного спектра сигнала к его широкополосному представлению, что позволяет увеличить устойчивость передаваемых данных к помехам.

При использовании метода широкополосной модуляции с прямым расширением спектра диапазон 2400–2483,5 МГц делится на 14 перекрывающихся или три неперекрывающихся канала с промежутком в 25 МГц. Фактически это означает, что разное оборудование может параллельно использовать три канала, при этом не мешая друг другу работать.

Для пересылки данных используется всего один канал. Чтобы повысить качество передачи и снизить потребляемую при этом энергию[3]3
  Большое потребление энергии является критичным для переносных компьютеров.


[Закрыть] (за счет снижения мощности передаваемого сигнала), используется последовательность Баркера, которая характеризуется достаточно большой избыточностью. Избыточность кода позволяет избежать повторной передачи данных, даже если пакет частично поврежден.

При использовании метода широкополосной модуляции со скачкообразной перестройкой (FHSS) частотный диапазон 2400–2483,5 МГц делится на 79 каналов шириной по 1 МГц. Данные передаются последовательно по разным каналам, создавая некоторую схему переключения между каналами. Всего существует 22 такие схемы, причем схему переключения согласовывают отправитель и получатель данных. Схемы переключения разработаны таким образом, что шанс использования одного канала разными отправителями минимален.

Переключение между каналами происходит очень часто, что обусловлено малой шириной канала (1 МГц). Поэтому метод FHSS в своей работе использует весь доступный диапазон частот, а значит, и все каналы.

Метод ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) является одним из «продвинутых» и скоростных методов передачи данных. В отличие от методов DSSS и FHSS, с его помощью можно параллельно передавать данные по нескольким частотам радиодиапазона. При этом информация разбиваются на части, что позволяет не только увеличить скорость, но и улучшить качество передачи.

Данный метод модуляции сигнала может работать в двух диапазонах – 2,4 и 5 ГГц.

Метод двоичного пакетного свёрточного кодирования (BCC) используется при скорости передачи данных 5,5 и 11 Мбит/с. Этот же метод, только слегка модифицированный, используется и при скорости передачи данных 22 Мбит/с.

Принцип PBCC основан на том, что каждому биту информации, который нужно передать, назначаются соответствующие два выходных бита (так называемый дибит), созданные в результате преобразований с помощью логической функции XOR и нескольких запоминающих ячеек.[4]4
  В протоколе 802.11b и 802.11g используются свёрточные кодеры, состоящие из шести запоминающих ячеек.


[Закрыть] Поэтому этот метод называется свёрточным кодированием со скоростью 1/2, а сам механизм кодирования – свёрточным кодером.

Примечание.

При скорости входных битов N бит/с скорость выходной последовательности (после свёрточного кодера) составляет 2N бит/с. Отсюда и понятие скорости – один к двум (1/2).

Использование свёрточного кодера позволяет добиться избыточности кода, что, в свою очередь, повышает надежность приема данных.

Чтобы отправить готовый дибит, используется фазовая модуляция сигнала. При этом в зависимости от скорости передачи применяется определенный метод модуляции – двоичная фазовая модуляция (BPSK, скорость передачи – 5,5 Мбит/с) или квадратичная фазовая модуляция (QPSK, скорость передачи – 11 Мбит/с).

Смысл модуляции заключается в том, чтобы ужать выходной дибит до одного символа, не теряя при этом избыточность кода. В результате скорость поступления данных будет соответствовать скорости их передачи, но при этом они будут обладать сформированной избыточностью кода и более высокой помехозащищенностью.

Метод PВCC также предусматривает работу со скоростью передачи данных 22 и 33 Мбит/с. При этом используется пунктурный кодер и другая фазовая модуляция.

Для примера рассмотрим скорость передачи данных 22 Мбит/с (вдвое выше скорости 11 Мбит/с). В этом случае согласно алгоритму своей работы свёрточный кодер переводит каждые два входящих бита в четыре исходящих. Это приводит к слишком большой избыточности кода, что не всегда приемлемо при определенном уровне помех. Поэтому, чтобы уменьшить лишнюю избыточность, используется пунктурный кодер, задача которого – удаление лишнего бита в группе из четырех битов, выходящих из свёрточного кодера.

Таким образом, каждым двум входящим битам соответствуют три бита, обладающие достаточной избыточностью. Эти три бита проходят через модернизированную фазовую модуляцию (восьмипозиционная фазовая модуляция 8-PSK), которая упаковывает их в один символ, готовый к передаче.