Текст книги "Беспроводная сеть своими руками"

Чтобы повысить помехоустойчивость передаваемого сигнала, то есть увеличить вероятность безошибочного распознавания сигнала на приемной стороне в условиях шума, можно воспользоваться методом перехода к широкополосному сигналу, добавляя в исходный сигнал избыточность. Для этого в каждый передаваемый информационный бит «встраивают» определенный код, состоящий из последовательности так называемых чипов.

Итак, после подбора специальных сочетаний последовательности чипов и превращения исходящего сигнала практически в нераспознаваемый шум при приеме сигнал умножается на специальную корреляционную функцию (код Баркера). В результате этого все шумы становятся в 11 раз слабее, так как остается только полезная часть сигнала – непосредственно данные.

Казалось бы, что можно сделать с сигналом, который состоит из сплошного шума? Оказывается, применив код Баркера, можно достичь гарантированного качества доставки данных.

Технология шифрования с использованием комплементарных кодов (CCK) применяется для сжатия битов данных, что позволяет достичь повышения скорости передачи информации.

Изначально эта технология использовалась в стандарте IEEE 802.11b, что позволило достичь скорости передачи данных 5,5 и 11 Мбит/с. С помощью CCK можно кодировать несколько битов в один символ. В частности, при скорости передачи данных 5,5 Мбит/с 1 символ равняется четырем битам, а при скорости 11 Мбит/с один символ равен 8 битам данных.

Данный способ кодирования можно описать достаточно сложными системами – математическими уравнениями, в основе которых лежат комплементарные восьмиразрядные комплексные последовательности. Коснемся этой темы лишь поверхностно.

Технология гибридного кодирования CCK-OFDM используется при работе оборудования как с обязательными, так и с возможными скоростями передачи данных.

Как ранее упоминалось, при передаче информации применяются пакеты данных, имеющих специальную структуру. Эта структура содержит, как минимум, служебный заголовок. При использовании гибридного кодирования CCK-OFDM служебный заголовок пакета строится с помощью CCK-кодирования, а сами данные – с помощью OFDM-кодирования.

Технология квадратурной амплитудной модуляции (QAM) используется при высоких скоростях передачи данных (начиная со скорости 24 Мбит/с). Ее суть заключается в том, что скорость передачи данных повышается за счет изменения фазы сигнала и изменения его амплитуды. При этом используются модуляции 16-QAM и 64-QAM, которые позволяют кодировать 4 бита в одном символе при 16 разных состояниях сигнала (в первом случае) и 6 битов в одном символе при 64 разных состояниях сигнала (во втором).

Обычно 16-QAM используется при скорости передачи данных 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM – при скорости передачи данных 48 и 54 Мбит/с.

2.3. Стандарты Radio Ethernet

Рассмотрим все существующие стандарты IEEE 802.11, которые предписывают использование определенных методов и скоростей передачи данных, методов модуляции, мощности передатчиков, полос частот, на которых они работают, методов аутентификации, шифрования и многое другое.

C самого начала сложилось так, что некоторые стандарты работают на физическом уровне, некоторые – на уровне среды передачи данных, а остальные – на более высоких уровнях модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI.

Существуют следующее группы стандартов:

• IEEE 802.11a, IEEE 802.11b и IEEE 802.11g описывают работу сетевого оборудования (физический уровень);

• IEEE 802.11d, IEEE 802.11e, IEEE 802.11i, IEEE 802.11j, IEEE 802.11h и IEEE 802.11r – параметры среды, частоты радиоканала, средства безопасности, способы передачи мультимедийных данных и т. д.;

• IEEE 802.11f и IEEE 802.11c – принцип взаимодействия точек доступа между собой, работу радиомостов и т. п.

Стандарт IEEE 802.11 был «первенцем» среди стандартов беспроводной сети. Работу над ним начали еще в 1990 году. Как и полагается, этим занималась рабочая группа из IEEE, целью которой было создание единого стандарта для радиооборудования, которое работало на частоте 2,4 ГГц. При этом ставилась задача достичь скорости 1 и 2 Мбит/с при использовании методов DSSS и FHSS соответственно.

Работа над созданием стандарта закончилась через 7 лет. Цель была достигнута, но скорость, которую обеспечивал новый стандарт, оказалась слишком малой для современных потребностей. Поэтому рабочая группа из IEEE начала разработку новых, более скоростных, стандартов.

Разработчики стандарта 802.11 учитывали особенности сотовой архитектуры системы. Почему сотовой? Очень просто: достаточно вспомнить, что волны распространяются в разные стороны на определенный радиус. Получается, что внешне зона напоминает соту. Каждая такая сота работает под управлением базовой станции, в качестве которой выступает точка доступа. Часто соту называют базовой зоной обслуживания.

Чтобы базовые зоны обслуживания могли общаться между собой, существует специальная распределительная система (Distribution System, DS). Недостатком распределительной системы стандарта 802.11 является невозможность роуминга.

Стандарт IEEE 802.11 предусматривает работу компьютеров без точки доступа, в составе одной соты. В этом случае функции точки доступа выполняют сами рабочие станции.

Этот стандарт разработан и ориентирован на оборудование, функционирующее в полосе частот 2400–2483,5 МГц. При этом радиус соты достигает 300 м, не ограничивая топологию сети.

IEEE 802.11a – наиболее перспективный стандарт беспроводной сети, который рассчитан на работу в двух радиодиапазонах – 2,4 и 5 ГГц. Используемый метод OFDM позволяет достичь максимальной скорости передачи данных 54 Мбит/с. Кроме этой, спецификациями предусмотрены и другие скорости:

• обязательные – 6, 12 и 24 Мбит/с;

• необязательные – 9, 18, 36, 48 и 54 Mбит/с.

Этот стандарт также имеет свои преимущества и недостатки. Из преимуществ можно отметить следующие:

• использование параллельной передачи данных;

• высокая скорость передачи;

• возможность подключения большого количества компьютеров.

Недостатки стандарта IEEE 802.11a такие:

• меньший радиус сети при использовании диапазона 5 ГГц (примерно 100 м);

• большая потребляемая мощность радиопередатчиков;

• более высокая стоимость оборудования по сравнению с оборудованием других стандартов;

• для использования диапазона 5 ГГц требуется наличие специального разрешения.

Для достижения высоких скоростей передачи данных стандарт IEEE 802.11a использует в своей работе технологию квадратурной амплитудной модуляции QAM.

Работа над стандартом IEEE 802.11b (другое название – IEEE 802.11 High rate, высокая пропускная способность) была закончена в 1999 году, и именно с ним связано название Wi-Fi (Wireless Fidelity, беспроводная точность).

Работа данного стандарта основана на методе прямого расширения спектра (DSSS) с использованием восьмиразрядных последовательностей Уолша. При этом каждый бит данных кодируется с помощью последовательности дополнительных кодов (CCK). Это позволяет достичь скорости передачи данных 11 Мбит/с.

Как и базовый стандарт, IEEE 802.11b работает с частотой 2,4 ГГц, используя не более трех неперекрывающихся каналов. Радиус действия сети при этом составляет около 300 м.

Отличительной особенностью этого стандарта является то, что при необходимости (например, при ухудшении качества сигнала, большой удаленности от точки доступа, различных помехах) скорость передачи данных может уменьшаться вплоть до 1 Мбит/с.[5]5
  Предусмотрено поэтапное снижение скорости: 5,5 Мбит/с, затем 2 Мбит/с и, наконец, 1 Мбит/с.


[Закрыть] Напротив, обнаружив, что качество сигнала улучшилось, сетевое оборудование автоматически повышает скорость передачи до максимальной. Этот механизм называется динамическим сдвигом скорости.

Примечание.

Кроме оборудования стандарта IEEE 802.11b, часто встречается оборудование IEEE 802.11b+. Отличие между этими стандартами заключается лишь в скорости передачи данных. В последнем случае она составляет 22 Мбит/с благодаря использованию метода двоичного пакетного свёрточного кодирования (PBCC).

Стандарт IEEE 802.11d определяет параметры физических каналов и сетевого оборудования. Он описывает правила, касающиеся разрешенной мощности излучения передатчиков в диапазонах частот, допустимых законами.

Этот стандарт очень важен, поскольку для работы сетевого оборудования используются радиоволны. Если они не будут соответствовать указанным параметрам, то могут помешать другим устройствам, работающим в этом или близлежащем диапазоне частот.

Поскольку по сети могут передаваться данные разных форматов и важности, существует потребность в механизме, который бы определял их важность и присваивал необходимый приоритет. За это отвечает стандарт IEEE 802.11e, специально разработанный с целью передачи потоковых видео– или аудиоданных с гарантированными качеством и доставкой.

Стандарт IEEE 802.11f разработан с целью обеспечения аутентификации сетевого оборудования (рабочей станции) при перемещении компьютера пользователя от одной точки доступа к другой, то есть между сегментами сети. При этом вступает в действие протокол обмена служебной информацией IAPP (Inter-Access Point Protocol), который необходим для передачи данных между точками доступа. При этом достигается эффективная организация работы распределенных беспроводных сетей.

Наиболее «продвинутым» на сегодняшний день стандартом можно считать стандарт IEEE 802.11g, который унаследовал самые лучшие свойства стандартов IEEE 802.11b и IEEE 802.11b и, кроме того, обладает многими собственными полезными качествами. Целью создания данного стандарта было достижение скорости передачи данных 54 Мбит/с.

Как и IEEE 802.11b, стандарт IEEE 802.11g разработан для работы в частотном диапазоне 2,4 ГГц. IEEE 802.11g предписывает обязательные и возможные скорости передачи данных:

• обязательные – 1; 2; 5,5; 6; 11; 12 и 24 Мбит/с;

• возможные – 33, 36, 48 и 54 Мбит/с.

Для достижения таких показателей используется кодирование с помощью последовательности дополнительных кодов (CCK), метод ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM), метод гибридного кодирования (CCK-OFDM) и метод двоичного пакетного свёрточного кодирования (PBCC).

Стоит отметить, что одной и той же скорости можно достичь разными методами, однако обязательные скорости передачи данных достигаются только с помощью методов CCK и OFDM, а возможные скорости – с помощью методов CCK-OFDM и PBCC.

Преимуществом оборудования стандарта IEEE 802.11g является совместимость с оборудованием IEEE 802.11b. Вы сможете легко использовать свой компьютер с сетевой картой стандарта IEEE 802.11 для работы с точкой доступа стандарта IEEE 802.11g, и наоборот. Кроме того, потребляемая мощность оборудования этого стандарта намного ниже, чем аналогичного оборудования стандарта IEEE 802.11а.

Стандарт IEEE 802.11h разработан с целью эффективного управления мощностью излучения передатчика, выбором несущей частоты передачи и генерации нужных отчетов. Он вносит некоторые новые алгоритмы в протокол доступа к среде MAC (Media Access Control, управление доступом к среде), а также в физический уровень стандарта IEEE 802.11a.

В первую очередь это связано с тем, что в некоторых странах диапазон 5 ГГц используется для трансляции спутникового телевидения, для радарного слежения за объектами и т. п., что может вносить помехи в работу передатчиков беспроводной сети.

Смысл работы алгоритмов стандарта IEEE 802.11h заключается в том, что при обнаружении отраженных сигналов (интерференции) компьютеры беспроводной сети (или передатчики) могут динамически переходить в другой диапазон, а также понижать или повышать мощность передатчиков. Это позволяет эффективнее организовать работу уличных и офисных радиосетей.

Стандарт IEEE 802.11i разработан специально для повышения безопасности работы беспроводной сети. С этой целью созданы разные алгоритмы шифрования и аутентификации, функции защиты при обмене информацией, возможность генерирования ключей и т. д.:

• AES (Advanced Encryption Standard, передовой алгоритм шифрования данных) – алгоритм шифрования, который позволяет работать с ключами длиной 128, 192 и 256 бит;

• RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service, служба дистанционной аутентификации пользователя) – система аутентификации с возможностью генерирования ключей для каждой сессии и управления ими, включающая в себя алгоритмы проверки подлинности пакетов и т. д.;

• TKIP (Temporal Key Integrity Protocol, протокол целостности временных ключей) – алгоритм шифрования данных;

• WRAP (Wireless Robust Authenticated Protocol, устойчивый беспроводной протокол аутентификации) – алгоритм шифрования данных;

• CCMP (Counter with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) – алгоритм шифрования данных.

Стандарт IEEE 802.11j разработан специально для использования беспроводных сетей в Японии, а именно – для работы в дополнительном диапазоне радиочастот 4,9–5 ГГц.[6]6
  Буква j в стандарте совсем не означает, что это «японский» стандарт. Это обычное алфавитное обозначение очередности стандартов.


[Закрыть] Спецификация предназначена для Японии и расширяет стандарт 802.11а добавочным каналом 4,9 ГГц.

Примечание.

На данный момент частота 4,9 ГГц рассматривается как дополнительный диапазон для использования в США. Из официальных источников известно, что этот диапазон готовится для использования органами общественной и национальной безопасности.

Данным стандартом расширяется диапазон работы устройств стандарта IEEE 802.11a.

На сегодняшний день стандарт IEEE 802.11n – самый перспективный из всех стандартов, касающихся беспроводных сетей. К сожалению, пока он только разрабатывается, но возможности, которые он открывает, выглядят очень заманчиво.

Данный стандарт должен обеспечить скорость передачи данных, минимальным значением которой будет 100 Мбит/с, что фактически равняется наиболее распространенной скоростью в проводных сетях стандарта Ethernet 802.3.

IEEE 802.11n будет использовать метод ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) и квадратурную амплитудную модуляцию (QAM). Это должно обеспечить не только высокую скорость передачи данных, но и полную совместимость со стандартами IEEE 802.11a, IEEE 802.11 и IEEE 802.11g.

Для увеличения скорости передачи данных планируется использовать несколько новых технологий, одной из которых является технология с множественным вводом/ выводом (MIMO – Multiple Input Multiple Output). Ее смысл заключается в параллельной передаче данных по разным каналам с применением нескольких передающих антенн. Кроме того, подразумевается расширение частотного канала до 40 МГц.

Ни в одном беспроводном стандарте толком не описаны правила роуминга, то есть перехода клиента от одной зоны к другой. Это намереваются сделать в стандарте IEEE 802.11r.

2.4. Преимущества и недостатки беспроводной сети

В любом начинании есть свои преимущества и недостатки, однозначно определяющие выбор той или иной технологии в конкретных условиях. Не обошла эта участь и беспроводные сети.

Легкость создания и реструктуризации

Пожалуй, это преимущество беспроводной сети является основным. Оно означает, что для организации работоспособной и достаточно быстрой беспроводной сети достаточно приложить минимум усилий, а самое главное – это потребует минимум затрат. Дело даже не в том, что создавать «обычную» сеть иногда просто лень (бывает и такое), а в том, что, располагая одной или более точками доступа, можно соединить в единую локальную сеть отдельно стоящие здания или компьютеры, находящиеся на большом расстоянии друг от друга.

Кроме того, беспроводную сеть можно быстро, красиво (без кучи проводов) и эффективно создать, когда организовывать проводную сеть накладно: на различных конференциях, выставках, выездных семинарах и т. п. Не стоит также забывать о зданиях, в которых прокладка кабельной системы несовместима с исторической ценностью: это касается музеев, памятников архитектуры и т. п.

Что касается реструктуризации, то здесь дело обстоит совсем просто: добавьте новый компьютер – и готово. Хотите создать подключение Ad-Hoc – пожалуйста, хотите с точкой доступа – опять же…

Мобильность

Лучшие технологии, которые есть в нашем мире, остаются лучшими, только если они могут предложить определенную, желательно очень солидную, универсальность. На сегодняшний день неоспоримым преимуществом является универсальная мобильность, которая позволяет человеку заниматься своим делом в любых условиях, где бы он ни находился. Мобильные телефоны, персональные ассистенты, переносные компьютеры – представители технологии, которая вносит в жизнь человека эту самую мобильность.

С появлением беспроводных сетей и соответствующих компьютерных технологий мобильность приобрела более широкое значение. Теперь она позволяет соединить между собой любые способные на связь устройства, которых так много в современном мире. Обладая мобильным устройством, вы можете спокойно передвигаться по городу и быть уверенным, что всегда останетесь на связи и сможете получить самую последнюю информацию. Рано или поздно пословицу «Если гора не идет к Магомету, Магомет идет к горе» можно будет несколько переиначить: «Если вы не хотите прийти к сети, сеть сама придет к вам».

Возможность подключения к сети другого типа

Преимуществом беспроводной сети является то, что ее всегда можно подключить к проводной. Для этого достаточно воспользоваться совместимым портом[7]7
  Как правило, на любой точке доступа находится порт с разъемом RG45, что позволяет подключиться к распространенным проводным сетям стандарта 100 Base-TX или 1000 Base-TX.


[Закрыть] на точке доступа или радиомосте. При этом вы получите доступ к ресурсам сети без всяких ограничений.

Именно эта возможность используется при подключении к общей сети удаленных зданий и точек, проложить к которым проводную сеть или невозможно, или слишком дорого.

Высокая скорость доступа в Интернет

Располагая точкой доступа с подключением к Интернету, вы сможете организовать доступ в Интернет для всех компьютеров локальной сети. При этом скорость соединения будет намного выше, чем могут предоставить обычные и даже xDSL-модемы.

Доступ по беспроводной сети – достаточно серьезная альтернатива такому дорогому решению, как оптоволоконный канал. Прокладку такого канала не могут позволить себе даже крупные компании, чего не скажешь о покупке точки доступа или радиокарты, которую может приобрести обычный пользователь. Дело только за суммой, которую вы готовы выложить за предоставленный канал. Канал со скоростью 2 Мбит/с и более уже давно не считается большой роскошью в странах Европы, США или Канады. Такое же настроение постепенно переходит и в СНГ.

Низкая скорость передачи данных

Какой бы быстрой ни была сеть, этой скорости всегда не хватает. Особенно остро эта проблема касается беспроводной сети. Дело в том, что реальная скорость передачи данных в такой сети отличается от теоретической в силу многих причин. К таким причинам можно отнести, например, количество преград на пути сигнала, количество подключенных к сети компьютеров, особенности построения пакетов данных (большой объем служебных данных), удаленность компьютеров и многое другое.

Для примера рассмотрим стандарт IEEE 802.11g.

В табл. 2.1 представлены радиусы действия сети при разных условиях использования.

Таблица 2.1. Радиус работы сети при разных условиях использования

В табл. 2.2 отображено соотношение скорости передачи данных и расстояния, на котором она действует.

Таблица 2.2. Соотношение скорости передачи данных и дальности

Безопасность

Безопасность работы в сети, проводной или беспроводной, всегда ставилась превыше всего. Особенно важен этот вопрос для организаций, которые работают с деньгами или другими материальными ценностями.

Безопасность работы в беспроводной сети, по сравнению с ее «подругой», проводной сетью, немного ниже из-за недостаточно серьезных механизмов аутентификации и шифрования. Это доказал первый протокол шифрования – WEP, который кодировал данные с помощью ключа длиной 40 бит. Оказывается, чтобы вычислить такой самый ключ, достаточно в течение 2–3 часов проанализировать перехваченные пакеты. Конечно, неопытному пользователю такое сделать сложно, но для специалиста это не представляет особой проблемы.

Правда, не все так плохо, как кажется. Как вам известно, со временем стали использоваться другие алгоритмы шифрования, более умные и более «запутанные», которые могут кодировать данные с помощью ключей длиной до 256 бит. Однако при этом возникла ситуация выбора между методом шифрования и скоростью, поскольку увеличение длины ключа приводит к увеличению служебного заголовка, а значит, к заметному снижению скорости передачи данных.

Высокий уровень расхода энергии

Этот негативный фактор в основном касается только пользователей, которые работают в беспроводной сети с помощью переносных компьютеров и других мобильных устройств. Как известно, энергия аккумуляторов, которые питают такие устройства, не является безграничной, и любое «лишнее» устройство приводит к быстрому истощению запаса. Конечно, существуют механизмы, позволяющие сводить потребление энергии к минимуму, но в любом случае энергия расходуется, причем достаточно быстро.

Несовместимость оборудования

Вопросы совместимости всегда интересовали пользователей, поскольку никому не понравится, если его устройство вдруг перестанет работать в связи с заменой оборудования беспроводной сети.

Обычно практикуется следующий подход: оборудование, разработанное раньше, способно работать с оборудованием, разработанным позже. Это называется обратной совместимостью. Что касается оборудования для беспроводных сетей, то этот принцип работает далеко не всегда.

На данный момент активно используется беспроводное оборудование стандартов IEEE 802.11a, IEEE 802.11b и IEEE 802.11g. Кроме того, в последнее время встречается оборудование с «второстепенными» стандартами типа IEEE 802.11b+ и IEEE 802.11g+, работающими в «непонятных» турборежимах и обеспечивающими удвоенную скорость передачи данных по сравнению с аналогичным оборудованием «родных» стандартов.

Ситуация сложилась таким образом, что совместимых устройств в беспроводных сетях практически не существует. Единственное, что облегчает жизнь, это то, что устройства стандарта IEEE 802.11g (или IEEE 802.11g+) имеют обратную совместимость с устройствами стандарта IEEE 802.11b (или IEEE 802.11b+). Найти же устройство, поддерживающее все стандарты, практически нереально, хотя и возможно.

Замечу, что для полной совместимости этих стандартов желательно использовать устройства одного производителя.