АРХИВ СТАТЕЙ ЖУРНАЛА «МОЙ КОМПЬЮТЕР» ЗА 2003 ГОД

Какая сеть такой улов

• Все журналы \ Номер 44/267 `2003 от 03.11.2003 \ Какая сеть такой улов

Виктор БОНДАРЬ apollo-13@ukr.net

Продолжение, начало в МК, №27 (250), 31 (254), 36 (259), 38 (261), 39 (262), 41 (264).

Radio Ethernet

История Radio Ethernet началась в далекие 90-е годы прошлого столетия и явилась вполне логичным продолжением истории развития стандарта IEEE 802 (Ethernet). Точнее будет сказать, что Radio Ethernet претендовал на роль системы передачи данных будущего. К сожалению, с тех пор ситуация с «беспроводным будущим» не сильно изменилась — оно по-прежнему остается больше будущим, чем настоящим. Но в последнее время в этой области, похоже, наметился сдвиг. И хотя нет никакого стремительного роста рынка беспроводных технологий, постоянно прогнозируемого аналитиками, беспроводные сети все же потихоньку обживаются в офисах, переходя из разряда фантастики в повседневный быт. Активно разработкой стандарта для радиопередачи данных занялась с 1990 года группа IEEE 802.11. Именно она создала первые стандарты Radio Ethernet, позволяющие транслировать информацию со скоростью 1 и 2 Мбит/с на частоте 2.4 ГГц, свободной от лицензирования почти во всех странах мира (это так называемый ISM-диапазон, выделенный для промышленности, науки и медицины — Industrial, Scientific, Medical). Работы шли на протяжении семи лет, пока в июне 1997 года не был ратифицирован стандарт IEEE 802.11. Но к тому времени требования к системам передачи данных возросли, и стандарт оказался устаревшим и невостребованным.

Работы над беспроводными сетями продолжались, в результате в сентябре 1999 года для беспроводных сетей, работающих на скорости до 11 Мбит/с, появилась спецификация IEEE 802.11b (IEEE 802.11 High rate). Вслед за ней увидела свет и спецификация IEEE 802.11a (Very High rate), предусматривающая передачу данных на частоте 5 ГГц с максимальной скоростью в 54 Мбит/с. В прошлом году был ратифицирован стандарт 802.11g для беспроводных устройств, работающих на частоте 2.4 ГГц с максимальной скоростью 54 Мбит/с.

Здесь перечислены далеко не все разновидности Radio Ethernet, однако именно они получили наибольшее распространение и «огласку» (есть еще 802.11h, 802.11e, а кроме того, 802.11d и 802.11f находятся в стадии разработки —прим. ред.).

Польза от шума

Во всех стандартах Radio Ethernet для передачи данных используется технология широкополосных (шумоподобных) сигналов —ШПС. Вследствие этого обеспечиваются такие преимущества, как высокая скорость передачи, помехозащищенность, низкая мощность выходного сигнала. А по причине низкой мощности сигнала становится возможной работа в диапазоне частот, уже занятом другими устройствами, а также обеспечивается некоторая степень конфиденциальности информации, поскольку сигнал практически неотличим от обычного «шума». Кроме того, оборудование для систем ШПС имеет достаточно низкую стоимость. В стандартах IEEE 802.11 используют три широкополосных радиочастотных метода передачи данных и один метод передачи в инфракрасном диапазоне. Последний позволяет создавать сети со скоростью передачи до 2 Мбит/с, однако является достаточно неудобным — его целесообразно использовать в пределах не более чем одного помещения. Хотя инфракрасный метод и не требует обязательного наличия прямой видимости приемника и передатчика сигнала (вместо этого используется отражение сигнала от потолка, который к тому же обязан обладать способностью отражать волны длиной 850–950 нм), все же он ограничен рамками помещения, в котором установлено оборудование. Да и расстояние передачи данных невелико — всего до 10 метров. Поэтому, посчитав инфракрасный метод неактуальным, мы будем говорить только о радиочастотных методах: методе частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum —FHSS), методе прямой последовательности или прямого расширения спектра (Direct Sequence Spread Spectrum —DSSS) и о методе ортогонального мультиплексирования частотным делением (Оrthogonal Frequency Division Multiplex —OFDM). Все они используются для получения широкополосного сигнала, однако достигается это по-разному (ниже идет их описание применительно к разным вариациям стандартов IEEE 802.11).

FHSS

В FHSS для передачи данных служит диапазон 2400–2483.5 МГц (может использоваться и диапазон в районе 915 МГц, но он занят мобильной связью —прим. ред.), который разбит на 79 подканалов с шириной в 1 МГц каждый. Приемник и передатчик синхронно перестраиваются на различные частоты, используя одну из 22 возможных схем. При этом схемы разработаны таким образом, чтобы максимально уменьшить вероятность того, что один канал станет одновременно использоваться двумя отправителями. Если же это произойдет, то данные будут переданы повторно на другом канале последовательности. А так как каждый передатчик должен иметь свою схему смены каналов, то в следующий раз передача будет осуществляться уже на разных частотах. Частая смена канала передачи данных обеспечивает защиту от помех: если приемнику не удалось принять пакет по какому-то из каналов в результате помех на его частоте, то он сообщает об этом передатчику, который осуществляет повторную передачу по следующему каналу в последовательности. Кроме того, таким образом обеспечивается и некоторая степень конфиденциальности транслируемой информации: если не знать схемы и скорости переключения каналов, перехватить данные довольно сложно.

Смена канала должна осуществляться достаточно быстро, чтобы передача данных не создавала помех другим устройствам (ведь мощность сигнала при этом методе сравнима с мощностью при узкополосных способах передачи данных), а также чтобы уменьшить влияние помех, создаваемых другими устройствами. В связи с этим необходимо, чтобы интервал времени, на протяжении которого осуществляется передача данных на каждом из каналов, не превышал 20 миллисекунд. А это приводит к увеличению расходов, что в совокупности с небольшой шириной диапазона одного канала накладывает ограничение на максимальную скорость передачи этим методом, последняя составляет 2 Мбит/с при работе на частотах 2.4 ГГц.

Всего же, для метода частотных скачков определено две скорости, которые зависят от применяемой модуляции сигнала. Для достижения 1 Мбит/с используют технологию FSK (Frequency Shift Keying — частотная модуляция) по Гауссу второго уровня, а для 2 Мбит/с все ту же FSK-модуляцию, однако уже четвертого уровня. И хотя выбор скоростей невелик, в отдельных случаях этот недостаток может компенсировать простота, а соответственно, и дешевизна оборудования, необходимого для создания и передачи широкополосного сигнала по методу FHSS.

DSSS

Значительно более эффективным в плане скорости передачи данных является метод DSSS. В этом случае полоса частот делится на 14 подканалов, которые частично перекрываются между собой (в США доступно только 11-ть). Из этих подканалов одновременно можно использовать только три, поскольку необходимо, чтобы они отстояли друг от друга на 25 МГц (разделительная полоса во избежание взаимного наложения соседних несущих). Расширения полосы передачи данных добиваются искусственным увеличением скорости передачи данных, а для этого каждый передаваемый бит заменяют несколькими (например, одиннадцатью), которые называются чипами.

Чипы получают в результате умножения узкополосного сигнала данных на широкополосный шумоподобный (PN — pseudonoise) сигнал. При этом бит 0 заменяется на несколько бит PN-сигнала, а бит 1 — на несколько бит инвертированного шумоподобного сигнала (рис. 1). Высокая избыточность передаваемых данных позволяет понизить мощность передачи сигнала и принимать его, даже когда уровень сигнала ниже уровня шума.

Этим же обеспечивается и помехозащищенность метода: приемник сможет восстановить данные, даже если часть из них окажется утеряна в результате помех. Для этого используется коррелятор, который сравнивает поступивший шумоподобный сигнал с локальным. Если они совпадают, то в результате умножения выходной сигнал будет иметь высокое значение, и последовательность интерпретируется как 0. Если же поступает инвертированный сигнал, то возникает декорреляция с очень низким значением выходного сигнала, и бит интерпретируется как 1. При этом полное совпадение или противофаза сигналов не обязательны — возможны некоторые отклонения. В таких случаях используется принцип «скорее 1, чем 0» (аналогично «пациент скорее жив, чем мертв»).

Применение для передаваемого сигнала модуляции PSK (Phase Shift Keying —фазовая модуляция) позволяет достичь скоростей 1 и 2 Мбит/с. При этом для 1 Мбит/с используется дифференциальная двоичнаяPSK (BPSK), а для 2 Мбит/с —квадратичная (QPSK). Используя дополнительные типы модуляции совместно с QPSK, достигают скоростей до 11 Мбит/с.

Дальнейшее развитие систем беспроводной связи связано с внедрением метода OFDM (Оrthogonal Frequency Division Multiplex). Он, как и остальные, предусматривает разбиение спектра доступных частот на каналы. При работе на 5 ГГц в стандарте IEEE 802.11a весь диапазон частот разбит на 8 неперекрывающихся каналов, шириной по 20 МГц. Каждый из них, в свою очередь, делится еще на 52 подканала (рис. 2). 48 каналов используются для передачи данных, остальные применяются для коррекции ошибок, возникающих при передаче. Сигнал разделяется с помощью быстрого преобразования Фурье, что позволяет избежать разделительной полосы между соседними несущими. Интерференции удается избежать, поскольку поднесущие, полученные при таком разделении, являются ортогональными. Данная их особенность проиллюстрирована на рисунке 3 — максимум каждой волны приходится на минимум соседней, что предупреждает наложение волн (интерференцию). Благодаря этой особенности, спектр доступных частот расходуется весьма экономно, и применяя двоичную фазовую модуляцию сигнала (BPSK) при использовании метода OFDM, можно достичь уже скорости 6 Мбит/с против 1 Мбит/с в DSSS. При использовании квадратурной PSK скорость возрастает в два раза — до 12 Мбит/с. Еще в два раза она возрастает, если выходной сигнал модулируется с применением шестнадцатиуровневой амплитудной модуляции (16QAM), а максимальная скорость в 54 Мбит/с мы достигается благодаря 64QAM-методу.

Однако 54 Мбит/с — это еще далеко не все преимущества метода OFDM. Нужно хотя бы вспомнить, что одновременная передача данных возможна по восьми независимым каналам, а это 432-Мбит/с суммарной пропускной способности, против 33 Мбит/с по методу DSSS (3 канала по 11 Мбит/с). Перечисляя достоинства метода, упомянем о его хорошей помехозащищенности в условиях многолучевого отражения сигнала, а также возможности работы на отраженном сигнале (нет необходимости прямой видимости между источником и приемником).

Что до недостатков, то можно назвать гораздо меньший радиус распространения сигнала при работе на 5 ГГц, против сигналов с частотой 2.4 ГГц. Хотя данная недоработка устранена в спецификации IEEE 802.11g, где метод OFDM применяется на частоте 2.4 ГГц.

Радио 802.11

Итак, зная о том, какие методы передачи данных используются в стандартах IEEE 802.11, мы можем в более спокойной обстановке обсудить различные спецификации Radio Ethernet. В первоначальной спецификации IEEE 802.11 для передачи данных применялся один из двух методов — FHSS либо DSSS. Они могли обеспечить скорость передачи в 1 или 2 Мбит/с, причем для передачи заголовков фреймов всегда использовалась 1 Мбит/с. Для передачи же данных возможно было задействовать обе скорости.

Что до формата фреймов, то он для всех спецификаций Radio Ethernet одинаков и мало чем отличается от используемого в стандартах Ethernet. Добавилась лишь возможность разбивки больших пакетов на меньшие, имеющие более высокие шансы быть доставленными без повреждений, а также слегка изменился формат заголовка. Сохранился и способ адресации фреймов: в 802.11 используются все те же 48-битные физические адреса, что и в IEEE 802.3. Существенные изменения претерпел лишь метод обеспечения поочередного равноправного доступа, поскольку применение CSMA/CD в случае беспроводных сетей неэффективно, а порой и невозможно. Вместо него применяют метод CSMA/CA (или, как его еще называют, DCF —Distributed Coordination Function, распределенная функция координации), детально описанный в предыдущей статье.

В стандарте 802.11 определено два режима работы сети —клиент/сервер (инфраструктурный режим) и точка-точка (режим Ad-hoc). В первом из них используется центральное устройство — так называемая точка доступа (Access Point, AP), к которой подключаются компьютеры (такая конфигурация, состоящая из AP и подключенных компьютеров, называется BSS, Basic Service Set — базовый набор служб). Точка доступа обычно подключается к проводной сети, которая может соединять ее еще с несколькими такими же точками доступа. В этом случае несколько BSS образуют ESS (Extended Service Set —расширенный набор служб). Таким образом и формируется инфраструктурная сеть.

В режиме же Ad-hoc нет никакого центрального устройства, координирующего работу компьютеров, и каждый из них может взаимодействовать напрямую с любым другим компьютером, находящимся в зоне его действия.

И если в Ad-hoc в качестве метода поочередного доступа к передающей среде используется исключительно CSMA/CA (это пока единственный метод для Radio Ethernet, работающий в условиях равноправия всех станций), то в инфраструктурном режиме такая возможность появляется. Реализуется она благодаря методу PCF (Point Coordination Function —точечная функция распределения), где точка доступа осуществляет управление доступом к каналу. В этом случае AP по очереди опрашивает каждую станцию и при необходимости разрешает ей передачу данных.

Последующая спецификация IEEE 802.11b отличается лишь используемым способом передачи данных и скоростью. Для обеспечения максимальной скорости в 11 Мбит/с применяется метод DSSS, позволяющий, кроме того, работать в режимах с производительностью 1 Мбит/с, 2 Мбит/с, а также 5.5 Мбит/с. Данная особенность гарантирует стандарту обратную совместимость с устройствами 802.11.

Еще одной особенностью стандарта IEEE 802.11b, кроме более высоких скоростей, является их динамический сдвиг. То есть скорость автоматически изменяется, в зависимости от расстояния между компьютерами и уровня помех. Так, при минимальной скорости в 1 Мбит/с, сигнал должен преодолевать около 460 метров (в идеале, конечно), для максимальных же скоростей это расстояние необходимо сократить в несколько раз.

Спецификация IEEE 802.11a довольно сильно отличается от двух предыдущих стандартов и несовместима с ними. Так, для передачи данных в ней используется диапазон частот 5 ГГц и метод OFDM, обеспечивающий максимальную скорость в 54 Мбит/с. Впрочем, обязательными для устройств стандарта IEEE 802.11a являются только скорости в 6, 12 и 24 Мбит/с, скорость же 54 Мбит/с опциональна (как, впрочем, и варианты 48, 36, 18 и 9 Мбит/с).

Переход на более высокие частоты значительно сократил радиус распространения волн (длинные волны лучше распространяются в пространстве и меньше подвержены затуханию, нежели высокочастотные короткие). Однако, несмотря на это, стандарт IEEE 802.11a обеспечивает более высокую скорость, нежели 802.11b на любом расстоянии (рис. 4). Еще одним недостатком использования высоких частот является более высокая потребляемая мощность передатчика, что весьма негативно сказывается на продолжительности жизни аккумуляторов различных портативных устройств. Данные недостатки диапазона 5 ГГц устранены в спецификации 802.11g, которая, при максимальной скорости в 54 Мбит/с, работает на частоте 2.4 ГГц. Кроме того, обеспечена обратная совместимость со стандартом 802.11b и такой же, как у него, радиус действия — 30–460 метров.

За безопасную связь

Теперь поговорим о том, каким образом обеспечивается безопасность передаваемых данных в сетях Radio Ethernet. Ведь данный вопрос становится немаловажным в условиях, когда данные буквально витают в воздухе и доступны каждому. Первой линией обороны здесь становится физический уровень организации сетей — для обеспечения приема информации необходимо настроится на частоту приемника, а также выполнить ряд требований, зависящий от конкретного применяемого способа передачи данных. К примеру, в методе FHSS необходимо знать схему, по которой сменяются каналы, а также время, на протяжении которого ведется передача на каждом из каналов.

Далее — от несанкционированного доступа защищает идентификатор набора служб (SSID —Service Set Identifier). Он, в первую очередь, предназначен для того, чтобы различать беспроводные сети, которые одновременно сосуществуют в одном месте. SSID включается в заголовки пакетов данных, а также в заголовки пакетов управления, используемых методом CSMA/CA. И без его знания невозможно обратиться к точке доступа, так как все запросы такого рода отфильтровываются. Также существует возможность определения и отсеивания пользователей по их MAC-адресу (MAC ID —Media Access Control ID). Для этого на точке доступа хранится список разрешенных MAC-адресов.

И, наконец, универсальный метод, уберегающий от перехвата данных, это механизм Wired Equivalency Privacy (WEP), использующий шифрование по алгоритму RC 4 с применением 40-битных и 128-битных ключей. Он немного замедляет работу сети в целом, однако в некоторых случаях просто незаменим.

Если же в дополнение к этим мерам безопасности использовать методы, предлагаемые протоколами высшего уровня, а также передавать изначально зашифрованные данные, то беспроводные сети можно превратить в абсолютно безопасную среду передачи данных.

Сейчас стандарты IEEE 802.11 набирают популярность. Особенно это касается спецификаций 802.11b и 802.11a, которые, несмотря на конкуренцию с технологией HiperLAN, были активно поддержаны производителями. Сегодня на рынке появилась масса изделий, поддерживающих один из стандартов (рис. 5), практически ни одна компьютерная выставка не обходится без демонстрации этих технологий, а на их основе строятся первые сети массового пользования в аэропортах, парках и даже городах. Все это добавляет им популярности и среди обычных пользователей, и среди корпоративных клиентов. И хотя темпы роста интереса к беспроводным сетям Radio Ethernet пока не совсем оправдывают надежды аналитиков, однако начало уже, бесспорно, положено, и процесс их популяризации — дело только временем.

Идёт загрузка...

Данную страницу никто не комментировал. Вы можете стать первым.

Ваше имя:
Ваша почта:
Комментарий:
Введите символы или вычислите пример: * Обновить