 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Стандарты беспроводных сетей
Беспроводные сети. Основные понятия
Общие вопросы
Что такое беспроводная сеть?
Сеть WAN (Wireless Area Network) вид вычислительной сети, использующий для связи и передачи данных между узлами и компонентами высокочастотные радиоволны, а не кабельные соединения. Преимущества данной концепции достаточно очевидны пользователь, находясь в здании, в котором организована WAN, при наличии специального адаптера и ноутбука (или КПК) постоянно находится в сети. Этот фактор особенно полезен, например, в больницах врачи или медсестры, могут, не отходя от пациента, загрузить историю его болезни и т. п.
Организация беспроводной сети сводится к установке базовых станций (точек доступа, хот-спотов) и установке соответствующих адаптеров на ПК, если они ими не оборудованы. Эта особенность выгодно отличается от кабельных систем. В качестве примера можно привести проведение выставки, когда на пустом поле был развернут в течение дня целый компьютерный городок (более 1000 компьютеров, объединенных WAN). По данным BBC News, в Непале пастухи, разводящие яков прямо у подножия Джомолунгмы, где нет даже стационарной телефонной связи, общаются и проводят сделки через Интернет. Отметим, правда, что общение происходит в режиме видеоконференции, используя MS NetMeeting. Построение беспроводной сети оказалось дешевле прокладки оптоволокна.
С помощью беспроводных адаптеров можно соединять участки LAN, построенных на кабельной основе. К примеру, два (или несколько) отделения одной компании, находящиеся в разных зданиях.
Что такое GSM?
GSM был утвержден в 1982 г. как общеевропейский стандарт для беспроводных коммуникаций. Первая система по этой технологии была реализована лишь в 1991 г. Groupe Special Mobile первоначальное название этой технологии, в настоящее же время, с принятием этого стандарта и в других странах мира, эта аббревиатура понимается как Global System for Mobile communications. GSM основана на комбинации FDMA (frequency division multiple access, множественный доступ с частотным разделением) и TDMA (time division multiple access, многостанционный доступ с временным разделением каналов). Сигнал, поступающий от передатчика, принимается ближайшей станцией (через которую в дальнейшем происходит обмен данными), а затем передается на базовую.
FDMA интерфейс, использующий диапазон частот шириной 25 МГц (824 МГц 849 МГц, 869 МГц 894 МГц), разделенный на124 полосы шириной 200 КГц. Причем каждая полоса может использоваться для передачи как голоса, так и данных.
TDMA интерфейс, при котором организация передачи информации осуществляется на одной частоте, однако поочередно и в различные моменты времени.
Что такое CDMA?
CDMA (Code Division Multiple Access) многостанционный доступ с кодовым разделением сигналов. Интерфейс доступа, основанный на использовании сигналов с расширенным спектром и одновременной передачей большого числа сигналов в общей полосе частот. Использование различных методов модуляции сигналов как раз и позволяет обслуживать большое количество клиентов. Упрощенно, эту схему можно представить следующим образом: передатчик, в общем случае, применяет определенный алгоритм для преобразования сигнала (фазовый, частотный, амплитудный и их комбинации), а приемник, посредством получаемого кода от передатчика, в свою очередь, использует определенный алгоритм демодуляции. Стандарт (IS-95), был представлен TIA (Telecommunications Industry Association) в июле 1993 г., затем пересмотренный в мае 1995 г. вариант получил название IS-95A. Ширина каналов связи по этому стандарту приблизительно 1,25 МГц. CDMA-устройства способны принимать сигнал одновременно от 6 передатчиков и при разрыве связи с одним, автоматически переключиться на использование другого. Скорость передачи данных по стандарту IS-665 (WCDMA, Wideband CDMA, широкополосный CDMA) составляет до 2 Мб/с на малых расстояниях и 384 Кб/с на больших, с полной свободой передвижения.
Что такое GPRS?
GPRS (General Packet Radio Service, сервис пакетной передачи данных по радиоканалу) технология передачи данных для стандарта GSM, когда клиент непосредственно соединяется с Интернет-провайдером, из-за этого GPRS иногда называется GSM-IP. Вообще говоря, оператор сотовой связи организует VPN (Virtual Private Network), и обмен данными с GPRS-клиентами происходит по выделенному для каждого туннелю. Данные по этому интерфейсу могут передаваться со скоростью не более 170 Кб/с.
Что такое Bluetooth?
Bluetooth технология беспроводного обмена данными между разнообразными устройствами, была разработана в 1994 году группой ведущих компаний в области телекоммуникаций.
Эта технология использует небольшие приемопередатчики малого радиуса действия, либо непосредственно встроенные в устройство, либо подключаемые через свободный порт или PC-карту. Интерфейсы Bluetooth работают в радиусе до 10 метров (Class 3), до 20 (Class 2), до 100 (Class 1) и, в отличие от IrDA (инфракрасный порт), не обязательно в зоне прямой видимости. Bluetooth работает в нелицензируемой полосе частот 2,42,4835 ГГц, а соответственно, бесплатно, однако не исключается присутствие других технологий, использующих этот же диапазон. Каждому устройству назначается уникальный 48-битный адрес согласно стандарту IEEE 802.15. Топология организованной сети может быть представлена типами point-to-point и multipoint. В первом случае используются пакеты типа ACL (Asynchronous Connection-Less), каждый пакет передается только один раз; во втором случае тип пакетов представлен SCO (Synchronous Connection-Orien-ted), этот вариант использует проверку контрольных сумм каждого пакета и, при необходимости, повторяет отправку еще раз. Скорость передачи данных не превышает 2 Мб/с.
Что такое Wi-Fi?
Исходя из вышеприведенных сведений, становится понятно, что использование названных стандартов подходит для передачи небольших объемов информации. Тем не менее, использование Bluetooth-интерфейсов прекрасно подходит для организации сети в рамках квартиры, причем связывающей не только периферийные устройства, но и устройства бытовой техники (например, линия Feminity от японской компании Toshiba: холодильник, стиральная машина).
И в этом секторе есть устройства, оборудованные встроенным интерфейсом Wi-Fi цифровые фотокамеры Nikon Coolpix P1 и P2.
С помощью беспроводной связи пользователи таких камер смогут сразу же передавать снимки на ПК или принтер, поддерживающие стандарт 802.11. А вот организация беспроводной локальной сети Bluetooth уже не под силу здесь вступает Wi-Fi. Почему? Предлагаю более подробно остановиться на этой технологии, оценить ее достоинства, недостатки, перспективы, уровни безопасности. Итак, начнем.
История Wi-Fi
Началось все с разрешения FCC (Federal Communications Com-mission, USA) в 1985 г. на использование диапазона частот для широкополосной передачи данных, без наличия лицензии. Были выделены три полосы частот, так называемые garbage bands 900 МГц, 2,4 ГГц и 5,8 ГГц, используемые до этого в медицине, промышленности, науке. Энергия радиоволн применялась для различных целей, например, в микроволновых печах для приготовления пищи. FCC разрешила использовать их в качестве частот для коммуникационных целей, с тем лишь условием, чтобы использующие указанные диапазоны устройства не создавали помехи оборудованию, функционирующему на этих же частотах. Выход был найден в применении так называемого спектра распространения (spread spectrum). Этот способ передачи информации первоначально использовался для военных целей. Распространение радиосигнала, происходящее по широкому диапазону частот, в отличие от обычной передачи на постоянной частоте, делало сигнал сложным для перехвата и обеспечивало определенный уровень помехозащищенности.
С выходом этого разрешения, ряд компаний (например, Proxim и Symbol) разработал свои собственные варианты беспроводного оборудования, работающие в предоставленных диапазонах, которые, естественно, были несовместимы. Однако с развитием технологии Ethernet, всеобщей компьютерной интеграции, возникла необходимость в разработке общего беспроводного стандарта передачи данных.
В 1988 г. организацией IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), которая ранее определила стандарт 802.3 для проводного Ethernet, был разработан новый стандарт для беспроводной сети 802.11. В течение почти десятилетия проходило принятие этого стандарта (было необходимо получить согласие 75 % членов комитета), и в 1997 г. он был утвержден.
В первоначальной редакции скорость передачи данных составляла 2 Мб/с. Стандарт 802.11 не решил проблему совместимости оборудования из-за задержки в окончательной публикации, сложности и большого объема (около 400 страниц). Поэтому в августе 1999 г. шестью компаниями Intersil, 3Com, Nokia, Aironet (куплена Cisco), Symbol и Lucent был организован WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance, переименован с 2002 г. в Wi-Fi Alliance). WECA занимался сертификацией оборудования для беспроводной связи.
В ходе дальнейших изменений 802.11, в декабре 1999 г. и январе 2000 г., вышли два варианта стандарта, названные 802.11b (для устройств, которые работают в полосе частот 2,4 ГГц) и 802.11a (функционирующих в полосе 5,8 ГГц). Итак, беспроводная технология имела стандарт, но не имела четкого названия. Результатом объявленного конкурса явилось всем известное название Wi-Fi (Wireless Fidelity, беспроводная преданность), а могла данная технология называться и FlankSpeed, и DragonFly.
Стандарт есть, имя есть, широкого распространения нет. Свое первое широкое применение технология Wi-Fi нашла в ноутбуках Apple Apple AirPort, в качестве дополнительной опции. Руководство компании предложило Lucent (производителю Wi-Fi-интерфейсов) сотрудничество, однако с условием, что стоимость адаптеров беспроводной связи будет менее $100. Вслед за Apple внедрять поддержку этой технологии стали и другие компании.
Вот, собственно, краткая история создания, внедрения и распространения технологии. А сейчас предлагаю подробнее ознакомиться с существующими в настоящее время стандартами.
Стандарты беспроводных сетей
Различных спецификаций стандартов беспроводных сетей семейства 802.1x существует великое множество (для обозначения одних только разновидностей стандарта 802.11 используются практически все буквы английского алфавита). Тем не менее, все они подразделяются на четыре большие категории WPAN, WLAN, WMAN, WWAN. Предлагаю рассмотреть каждую категорию подробнее.
WLAN (Wireless Local Area Network)
Эта категория беспроводной сети предназначена для связи между собой различных устройств, подобно LAN на основе витой пары или оптоволокна, и при этом характеризуется высокой скоростью передачи данных на относительно небольшие расстояния. Взаимодействие устройств описывается семейством стандартов IEEE 802.11, включающим в себя более 20 спецификаций.
В связи с этим, многие ошибочно не видят разницы между Wi-Fi и IEEE 802.11. В настоящее время под Wi-Fi понимается торговая марка, которая показывает, что конкретное устройство отвечает спецификациям 802.11a, 802.11.b, 802.11.g.
Таким образом, семейство IEEE 802.11 можно разделить на три класса 802.11a, 802.11b, 802.11 i/e/.../w.
IEEE 802.11a один из стандартов беспроводных локальных сетей, описывающий принципы функционирования устройств в частотном диапазоне ISM (полоса частот 5,155,825 ГГц) по принципу OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам). Полоса подразделяется на три рабочие зоны шириной 100 МГц, и для каждой зоны определена максимальная излучаемая мощность 50 мВт, 250 мВт, 1 Вт. Предполагается, что последняя зона частот будет использоваться для организации каналов связи между зданиями или наружными объектами, а две другие зоны внутри них. Редакцией стандарта, утвержденной в 1999 г., определены три обязательных скорости 6, 12 и 24 Мб/с и пять необязательных 9, 18, 36, 48 и 54 Мб/с. Однако этот стандарт не принят в России вследствие использования части этого диапазона ведомственными структурами. Возможным решением этой проблемы может стать спецификация 802.11h, которая дополнена алгоритмами эффективного выбора частот для беспроводных сетей, а также средствами управления использованием спектра, контроля над излучаемой мощностью, а также генерации соответствующих отчетов. Радиус действия устройств в закрытых помещениях составляет около 12 метров на скорости 54 Мб/с, и до 90 метров при скорости 6 Мб/с, в открытых помеще-ниях или в зоне прямой видимости около 30 метров (54 Мб/с), и до 300 метров при 6 Мб/с. Тем не менее, некоторые производители внедряют в свои устройства технологии ускорения, благодаря которым возможен обмен данными в Turbo 802.11а на скоростях до 108 Мб/с.
IEEE 802.11b первый стандарт, получивший широкое распространение (именно он первоначально носил торговую марку Wi-Fi) и позволивший создавать беспроводные локальные сети в офисах, домах, квартирах. Эта спецификация описывает принципы взаимодействия устройств в диапазоне 2,4 ГГц (2,42,4835 ГГц), разделенном на три неперекрывающихся канала по технологии DSSS (Direct-Sequence Spread-Spectrum, широкополосная модуляция с прямым расширением спектра) и, опционально, PBCC (Packet Binary Convolutional Coding, двоичное сверточное кодирование). Согласно этой технологии модуляции, производится генерирование избыточного набора битов на каждый переданный бит полезной информации, благодаря этому осуществляется более высокая вероятность восстановления переданной информации и лучшая помехозащищенность (шумы и помехи иден-тифицируются как сигнал с неодинаковым набором битов и потому отфильтровываются). Стандартом определены четыре обязательные скорости 1, 2, 5,5 и 11 Мб/с. Что же касается возможного радиуса взаимодействия устройств, то он составляет в закрытых помещениях около 30 метров на скорости 11 Мб/с, и до 90 метров при скорости 1 Мб/с, в открытых помещениях или в зоне прямой видимости около 120 метров (11 Мб/с), и до 460 метров при 1 Мб/с. В условиях постоянно увеличивающихся потоков данных эта спецификация практически исчерпала себя, и на смену ей пришел стандарт IEEE 802.11g.
IEEE 802.11g стандарт беспроводной сети, явившийся логическим развитием 802.11b, в том смысле, что использует тот же частотный диапазон и предполагает обратную совместимость с устройствами, отвечающими стандарту 802.11b (другими словами, обязательна совместимость 802.11g-оборудования с более старой спецификацией 802.11b). Одновременно с этим, этот представитель семейства спецификаций, как и полагается, попытался взять все лучшее от пионеров 802.11b и 802.11a. Итак, основной принцип модуляции позаимствован у 802.11a OFDM совместно с технологией CCK (Complementary Code Keying, кодирование комплементарным кодом), а дополнительно предусмотрено использование технологии PBCC. Благодаря этому, в стандарте предусмотрены шесть обязательных скоростей 1, 2, 5,5, 6, 11, 12, 24 Мб/с, и че-тыре опциональных 33, 36, 48 и 54 Мб/с. Радиус зоны действия увеличен в закрытых помещениях до 30 метров (54 Мб/с), и до 91 метра при скорости 1 Мб/с, в пределах же прямой видимости связь доступна на расстоянии 120 метров со скоростью 54 Мб/с, а при удалении на 460 метров возможна работа со скоростью 1 Мб/с.
Выделенный нами в отдельный класс набор спецификаций 802.11 i/e/.../w главным образом предназначен для описания функционирования различных служебных компонент и разработки новых технологий и стандартов беспроводной связи. К примеру, работы беспроводных мостов, требований к физическим параметрам каналов (мощность излучения, диапазоны частот), спецификаций, ориентированных на различные категории пользователей и т. д. В плане надстроек и новых стандартов организации беспроводных сетей из этой группы мы уже рассмотрели 802.11.h. В качестве еще одного примера обратим внимание на 802.11n. Согласно сообщению международного консорциума EWC (Enhanced Wireless Consortium), использование 802.11n высокоскоростной стандарт, в котором предусмотрена обратная совмес-тимость с 802.11a/b/g, а скорость передачи данных будет достигать 600 Мб/с. Это позволит использовать его в задачах, где использование Wi-Fi ограничивалось недостаточной скоростью.
Меры безопасности в 802.11
Изначально в семействе протоколов был предусмотрен комплекс мер безопасности, объединенный под общим названием WEP (Wired Equivalent Privacy, безопасность, эквивалентная проводной сети). Несмотря на то, что WEP поддерживается большинством оборудования 802.11, оказалось, что он имеет наиболее низкий уровень защиты. Причина уязвимости WEP заключается в использовании статических ключей шифрования, известных всем станциям, а также в том, что не предусмотрен процесс проверки подлинности пользователя. Для обновления ключей необходимо внести соответствующие изменения на каждом компьютере, а если оставлять криптографические ключи
неизменными, то взломать сеть достаточно просто. На некоторых сайтах для иллюстрации уязвимости WEP даже приводятся пошаговые инструкции для взлома.
Учитывая уязвимости WEP, была разработана новая технология защиты WPA (Wi-Fi Protected Ac-cess). Технология WPA лишена недостатков WEP и, согласно спецификации, включает в себя протокол TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), работающий в связке с механизмами 802.1x. Повышение уровня без-опасности обеспечивается периодическим генерированием уникального ключа для каждого пользователя. Тем не менее, стандарт WPA подвержен атакам типа DoS. Для этого достаточно, чтобы на сервер доступа каждую секунду приходило несколько неверных запросов на идентификацию, при этом сервер определяет попытку несанкционированного доступа и производит разрыв всех соединений на некоторое время (около минуты). Таким образом, постоянная отправка неверных данных может привести к нестабильной работе.
Следующий разработанный стандарт WPA2. Его отличие от WPA заключается в более стойком к взлому алгоритме шифрования AES (Advanced Encryption Standard) и модифицированном алгоритме управления ключами.
WPAN (Wireless Personal Area Network)
WPAN беспроводная сеть, предназначенная для организации беспроводной связи между различного типа устройствами на ограниченной площади (например, в рамках квартиры, офисного рабочего места). Стандарты, определяющие методы функционирования сети, описаны в семействе спецификаций IEEE 802.15. Один из них Bluetooth (IEEE 802.15.1) мы рассмотрели в прошлом номере. Сейчас предлагаю рассмотреть еще два наиболее перспективных стандарта ZigBee и 802.15.3.
IEEE 802.15.3 разрабатывался как высокоскоростной стандарт WPAN-сетей для высокотехнологичных бытовых устройств (предназначенных, как правило, для передачи мультимедийных данных). Использование полосы 2,4 ГГц и технологии модуляции OQPSH (Offset Quadrature Phase Shift Keying, квадратурная манипуляция фазовым сдвигом со смещением) позволяют достигать скорости передачи в 55 Мб/с на расстояние до 100 метров. Защита данных может производиться по стандарту AES. В модификации стандарта 802.15.3a предполагается увеличить пропускную способность до 480 Мб/с, а в случае спецификации 802.15.3b пропускная способность составит от 100 до 400 Мб/с.
Стандарт ZigBee, утвержденный в конце прошлого года, разрабатывался более двух лет и за это время сменил несколько названий, среди которых HomeRF lite, RF-EasyLink и Firefly. Но все же уточним. В ряде источников спецификации 802.15.4 и ZigBee отождествляются, однако на самом деле, консорциум компаний ZigBee Alliance расширил и внес ряд изменений в стандарт 802.15.4, который, вообще говоря, описывает физический уровень связи и основные способы взаимодействия между устройствами. В случае ZigBee предполагается описание дополнительных требований для открытости и совместимости устройств. Следует отметить, что до сих пор нет общедоступной спецификации стандарта ZigBee (для ее получения необходимо заполнить регистрационную форму на сайте консорциума http://www.zigbee.org), в отличие от широкодоступных характеристик 802.15.4. Все же, что нам обещают разработчики?
К ключевым моментам, по словам разработчиков, следует отнести более низкое энергопотребление, возможность использования 64-битной адресации (до 65 тыс. узлов в сети), меньшую стоимость аналогичных устройств. Так, ZigBee-устройства могут работать около трех лет без замены элемента питания, в то время как Bluetooth около недели, а автономные Wi-Fi не более пяти дней. Судя по офи-циальным заявлениям, расстояние между взаимодействующими устройствами может достигать 75 метров при скорости передачи до 250 Кб/с, однако, учитывая эволюцию в дальности действия Bluetooth (с 10 до 100 метров), это не кажется пределом. Утверждается, что простейшая архитектурная ZigBee-реализация в 50 раз проще стандартного Bluetooth-решения, а стоимость аппаратной составляющей не превышает 6 долларов.
В зависимости от уровня сложности, ZigBee-устройства могут выступать как координаторами, управляя работой комплексной сети, так и приемопередатчиками данных (не только своих, но и чужих), или, в простейшем случае, обмениваться информацией только с координатором. Следует отметить, что в стандарте предполагается использование 128-битного AES-шифрования данных.
К основным сферам применения следует отнести обслуживание разнородных датчиков, взаимодействие охранных, пожарных и других сигнализаций с соответствующими службами, в будущем создание умного дома. Несомненно, реализация таких возможностей проводится и без помощи ZigBee, однако ZigBee обеспечит полную независимость от производителя, а необходимость в установке преобразующего интерфейса отпадет сама собой.
IEEE 802.15.4a/b стандарт так называемой технологии UWB (Ultra Wideband), основанной на передаче множества закодированных импульсов негармонической формы очень малой мощности (0,05 мВт) и малой длительности в широком диапазоне частот (от 3,1 до 10,6 ГГц). Передача данных на расстояниях до 5 метров осуществляется со скоростью от 400 до 500 Мб/с.
Поиск по сайту: