Сетевые протоколы и стандарты

2.1 Стандартизация локальных сетей

IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers)-- Институт инженеров по электротехнике и электронике международная некоммерческая ассоциация специалистов в области техники, мировой лидер в области разработки стандартов по радиоэлектронике и электротехнике. Институт инженеров по электротехнике и электронике IEEE, стоит особняком в перечне стандартизирующих организаций. Достаточно скачать, что членами IEEE являются ANSI и ISO. IEEE выпускает свои собственные стандарты, имеющие общемировое значение. Как правило, они затем утверждаются ISO и/или ITU, но это уже формальность.

В 1980г. в институте IEEE был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802-х, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Все стандарты, разрабатываемые этим комитетом, в своем названии содержат IEEE802.

В составе комитета 802 находится большое количество подкомитетов, каждый из которых работает по своему направлению и отвечает за стандартизацию разных типов сети и создание отчетов, описывающих процессы, которые возникают при передаче разного рода данных. Например, за разработку стандартов для сети с кабельной системой отвечает комитет IEEE 802.3, с использованием радиоэфира - комитет IEEE 802.11 и т. д.

Наиболее известными подкомитетами являются следующие:

1) IEEE 802.1. Данный подкомитет занимается разработкой стандартов межсетевого взаимодействия и управления сетевыми устройствами. Он разрабатывает стандарты по управлению локальной сетью, принципам и логике работы активного сетевого оборудования, безопасности протоколов MAC-уровня и т. д.

2) IEEE 802.2. Этот подкомитет занимается разработкой стандартов для протоколов канального уровня, осуществляющих логическое управление средой передачи данных.

3) IEEE 802.3. Работа данного подкомитета представляет особый интерес, поскольку именно он занимается разработкой стандартов для проводных сетей стандарта Ethernet, которые для доступа к среде передачи данных используют метод множественного доступа с контролем несущей частоты и обнаружением коллизий CSMA/CD. Данный комитет разработал более 30 стандартов, большая часть которых находит свое применение в современных локальных сетях.

4) IEEE 802.4. Этот комитет разрабатывает стандарты для локальных сетей, которые используют маркерный метод доступа к передающей сети и топологию «шина».

5) IEEE 802.5. Данный комитет разрабатывает правила и спецификации для локальных сетей, которые в качестве метода доступа к среде передачи данных используют метод маркера, а в основе сети лежит топология «кольцо».

6) IEEE 802.6. Стандарты данного комитета описывают принципы и правила функционирования сетей городского масштаба (MAN).

7) IEEE 802.11. Этот комитет разрабатывает стандарты и правила функционирования устройств в беспроводных локальных сетях, которые работают с частотами 2,4; 3,6 и 5 ГГц. ( WI-FI )

8) IEEE 802.15. Данный комитет разрабатывает стандарты для персональных беспроводных сетей, использующих такие технологии передачи данных, как ZigBee, Bluetooth и т. д.

9) IEEE 802.16. Внимание этого комитета занято стандартизацией функционирования локальных сетей (WiMAX) с использованием беспроводной связи в широком диапазоне частот (2-66 ГГц).

2.2 Ethernet/IEEE 802.3

Ethernet - технология локально вычислительной сети, разработанная совместно фирмами DEC, Intel и Xerox (DIX) и опубликованная в 1980 году в виде стандарта Ethernet II для сети с пропускной способностью 10мбит/с, построенной на основе коаксильного кабеля.

На основе стандарта Ethernet II был разработан стандарт IEEE 802.3,

который имеет следующие отличия:

* канальный уровень разбит на два подуровня: MAC и LLC;

* внесены некоторые изменения в формат кадра при тех же минимальных и максимальных размерах кадров.

Разработкой стандартов и правил функционирования локальных сетей стандарта Ethernet с физической средой передачи данных в виде коаксиального, оптоволоконного кабеля и кабеля «витая пара» занимается комитет 802.3. За время своего существования на свет появилось достаточно много стандартов. Наиболее известными среди них являются стандарты 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 100Base-TX, 1000Base-X.

В зависимости от физической среды передачи данных IEEE 802.3 предусматривает различные варианты реализации ЛВС на физическом

уровне:

* 10Base-5 - толстый коаксиальный кабель;

* 10Base-2 - тонкий коаксиальный кабель;

* 10Base-T - витая пара;

* 10Base-F - оптоволокно.

В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet с пропускной способностью среды передачи 100 Мбит/с, который представлен в виде дополнительного раздела 802.Зu к стандарту IEEE 802.3.

В 1998 году принят стандарт Gigabit Ethernet, описанный в разделе 802.3z для ЛВС с пропускной способностью 1 Гбит/с.

В 2002 году утверждена спецификация IEEE 802.Зае для ЛВС с пропускной способностью 10 Гбит/с (10 Gigabit Ethernet), предусматривающая использование волоконно-оптических кабелей.

В июне 2010 года принят стандарт IEEE Р802.3bа для ЛВС с пропускными способностями 40 Гбит/с и 100 Гбит/с: 40 Gigabit Ethernet (40GbE) и 100 Gigabit Ethernet (100GbE).

В стандарте IEEE 802.3 определен метод доступа, используемый в сетях Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) - CSMA/CD - множественный доступ с контролем несущей и проверкой столкновений.

В сетях технологии Ethernet, построенных на основе логической топологии "общая шина", разделяемая среда передачи данных является общей для всех пользователей, т. е. реализуется множественный доступ к общей среде. Для передачи данных используется манчестерский код, скорость передачи составляет 10 Мбит/с, т.е. длительность битового интервала равна 0,1 мкс. Между кадрами должен быть интервал длительностью 9,6 мкс. Переданную в сеть информацию может получить любой компьютер, у которого адрес сетевого адаптера совпадает с адресом DA передаваемого кадра, или все компьютеры сети при широковещательной передаче. Однако передавать информацию в любой момент времени может только один узел. Такой способ обмена данными получил название метода множественного доступа к среде с распознаванием несущей и фиксацией коллизий ( CSMA/CD - Carrier Sence Multiply Access with Collision Detection).

При одновременной передаче данных двумя компьютерами возникает так называемая коллизия, когда данные двух передающих узлов накладываются друг на друга и происходит потеря информации. Поэтому прежде чем начать передачу, узел должен убедиться, что общая шина свободна. Для этого он прослушивает среду. Если какой-либо компьютер сети уже передает данные, то в сети обнаруживается несущая частота передаваемых сигналов. Если по окончании передачи сразу два узла попытаются одновременно начать передачу своих данных, то возникнет коллизия, которая фиксируется компьютерами. Узел, первым обнаруживший коллизию, усугубляет ее путем передачи в сеть специальных JAM - сигналов для оповещения всех компьютеров сети. При этом компьютер должен немедленно прекратить передачу данных и выдержать паузу в течение некоторого случайного интервала времени. По окончании этого интервала узел может вновь попытаться передать свои данные.

Управление доступом к общей среде передачи реализуется средствами сетевого адаптера. Каждый сетевой адаптер, имеет уникальный адрес.

Кадры, передаваемые станциями, проходят через сетевые адаптеры всех станций сети, но только та из них, кому адресован данный кадр, принимает и записывает его в буфер адаптера для дальнейшего формирования сообщения и передачи его в память рабочей станции. Таким образом, в каждый момент времени в сети может передаваться только один кадр. Если передачу кадров начинают одновременно две и более станции, возникает коллизия, в результате которой все кадры искажаются и требуется повторная передача кадров. Гольдштейн Б.С, Соколов Н.А, Яновский Г.Г - Сети Связи БХВ-Петербург. 2010год. 403с

Часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию, независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла, называется «доменом коллизий» (collision domain).

Стандарт IEEE 802.3 определяет ограничения, налагаемые на размер

ЛВС Ethernet:

* максимальное число станций в сети - 1024;

* максимальная протяженность сети - 3-4 км;

* максимальная длина сегмента сети (расстояние между крайними станциями), зависящая от типа передающей среды:

500 метров - для толстого коаксиального кабеля;

185 метров - для тонкого коаксиального кабеля;

100 метров - для витой пары;

2000 метров - для оптоволоконного кабеля.

Основными топологиями ЛВС Ethernet являются:

* "общая шина", в которой в качестве среды передачи данных используется коаксиальный кабель;

* "звезда", в которой центральным узлом является концентратор, а в качестве среды передачи данных используется витая пара или оптоволоконный кабель.

В основу стандарта IEEE 802.3 был положен кадр Raw 802.3, предложенный фирмой Novell и называемый также кадром 802.3/Novell.

Длина кадра находится в диапазоне от 64 до 1518 байт, не считая преамбулы и признака начала кадра. Важной особенностью стандарта IEEE 802.3 является возможность передачи прикладным процессом данных длиной менее 46 байтов, благодаря тому, что кадр автоматически дополняется до нужного размера пустыми символами в поле «Набивка».

ЛВС Ethernet может объединять сегменты, построенные на основе разных типов кабелей: толстого или тонкого коаксиального кабеля, витой пары, волоконно-оптического кабеля.

Для корректной работы сети Ethernet необходимо, чтобы станции всегда могли обнаружить коллизию, если она возникла в процессе передачи кадра. Если станция прекратит прослушивание среды передачи раньше, чем коллизия может произойти, передаваемый кадр будет потерян. Поэтому передающая станция должна обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ею кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра. Поскольку до начала передачи все станции сети прослушивают канал, то коллизия в худшем случае может возникнуть при передаче кадров между наиболее удаленными друг от друга станциями сети.

В качестве достоинств ЛВС Ethernet следует отметить:

* простоту установки и эксплуатации,

* невысокую стоимость реализации, обусловленную простотой и невысокой стоимостью сетевых адаптеров и концентраторов;

* возможность использования различных типов кабеля и схем прокладки кабельной системы.

К недостаткам сети Ethernet можно отнести:

* снижение реальной скорости передачи данных в сильно

загруженной сети, вплоть до ее полной остановки;

* трудности поиска неисправностей: при обрыве кабеля отказывает весь сегмент ЛВС и локализовать неисправный узел или участок сети достаточно сложно.

2.3 Token Ring/IEEE 802.5

данное передача протокол сеть

Сеть Token Ring была первоначально разработана корпорацией IBM в начале 70-х годов XX века. Данная сеть была разработана после сети Ethernet. Полный вариант сети Token появился в 1985 году. И она по-прежнему остается первичной технологией локальных сетей (local-area network -- LAN) этой корпорации.

Token Ring ( Token - маркер, Ring - кольцо ) - это кольцевая топология которая предполагает маркерный доступ. Сеть Token Ring внешне похожа на звезду или на объединение нескольких звёзд.

Данный метод доступа к общей передающей среде характерен только для сетей, построенных с применением сетевой топологии «кольцо».

Token Ring, благодаря поддержке компании IBM, была стандартизована на самом высоком уровне. Поэтому данная технология получила распространение но не слишком большое, например потому что она была более дорогой по сравнению с сетью Ethernet. Более того, в первоначальном варианте сеть Token Ring имела более меньшую скорость. Если сеть Ethernet имела скорость 10мб., то Token Ring имела скорость всего лишь 4мб ( только потом появилась версия с 16мб/с и 100 и 1000мб/с ). Но время было упущено и сеть Ethernet в конечном счёте захватила лидирующие позиции.

Термин Token Ring в общем смысле используется для обозначения как сетей Token Ring IBM, так и сетей IEEE 802.5.

По основным своим характеристикам, сети Token Ring и IEEE 802.5 совместимы, хотя их спецификации в некоторых несущественных аспектах различаются. Сеть Token Ring IBM имеет звездообразную топологию, в которой все конечные станции подсоединяются к устройству, называемому модулем множественного доступа (multistations access unit -- MSAU). В отличие от сетей Token Ring, в сетях IEEE 802.5 топология заранее не определена, хотя фактически все реализации IEEE 802.5 основываются на звездообразной топологии. Существуют и другие различия, включая тип передающей среды (спецификация IEEE 802.5 не определяет тип среды, в то время как Token Ring IBM использует витую пару) и размер информационного поля маршрутизации.

Основные параметры стандарта 802.5:

1 Топология-кольцо ( звезда-кольцо);

2 Среда передачи- витая пара UTP ( Сначала была неэкранированная витая пара , но в дальнейшем появился вариант с экранированной витой парой, затем вариант с оптоволокном и наконец вариант на коаксиальном кабеле. Но в основном получило распространение витая пара на UTP );

3 Скорость передачи - 4(16) Мбит/с;

4 Длина кабеля между концентраторами - до 45 м;

5 Длина кабеля от абонента до концентратора - до 45 м;

6 Максимальная длина кольца - 120 м;

7 Максимальное количество абонентов - 96(12 MAU);

8 Метод доступа - маркерный;

9 Код - бифазный;

10 Формат пакета ( стандартный ).

Топология «кольцо» очень чувствительна к обрыву кабеля и к отказу абонентов.

Организация сети по топологии «кольцо» подразумевает, что данные передаются по кругу всем участникам сети. При этом блок данных снабжается адресом отправителя, адресом получателя и маркером. Когда получатель, предварительно сверив адрес из блока данных со своим физическим адресом, понимает, что данный пакет адресован ему, он изменяет блок данных, убрав из него маркер. Этот факт и является свидетельством того, что передача данных уже ведется, и другие участники сети просто передают данные далее. После того как данные попали к отправителю, он начинает передачу данных по сформировавшемуся маршруту и ведет ее до тех пор, пока весь объем данных не будет передан. Затем получатель освобождает маркер, добавив его в последний пакет подтверждения доставки, и после этого любой участник сети может захватить его для своих нужд.

Сетевые станции IBM Token Ring подключаются непосредственно к модулям MSAU, которые могут быть соединены друг с другом, образуя одно большое кольцо. Модули MSAU подключаются к соседним модулям соединительными кабелями (patch cables), а к станциям -- кабелями ответвления (lobe cables). В состав MSAU входят обводные реле для удаления станций из кольца.

Сети Token Ring и IEEE 802.5 представляют собой два основных примера сетей с передачей маркера (другим примером являются сети FDDI).

В сетях с передачей маркера (token-passing networks) по сети перемешается небольшой фрейм, называемый маркером. Обладание маркером дает право на передачу. Если узел, получающий маркер, не имеет информации для передачи, то он передает маркер следующей конечной станции. Каждая станция может удерживать маркер лишь в течение установленного максимального времени.

Если же станция, обладающая маркером, имеет информацию для передачи, то она захватывает маркер, изменяет его первый бит (что превращает его в последовательность символов, обозначающих начало фрейма), добавляет информацию, которую требуется передать, и отправляет эту последовательность по кольцу в направлении следующей станции. Во время перемещения такого фрейма по кольцу маркер в сети отсутствует, поэтому остальным станциям, у которых есть информация для передачи, приходится ожидать (кроме случая, когда кольцо поддерживает раннее создание маркера).

Поэтому в сети Token Ring коллизии невозможны. Если в кольце поддерживается функция раннего создания маркера, то новый маркер может быть создан, когда передача фрейма завершена.

Информационный фрейм циркулирует по кольцу до тех пор, пока он не достигнет станции-получателя, которая копирует данную информацию для дальнейшей обработки. Этот информационный фрейм продолжает двигаться по кольцу и в конечном итоге удаляется, когда поступает на отправившую его станцию. Эта станция может исследовать возвратившийся фрейм для проверки того, что он был просмотрен и скопирован станцией пункта назначения.

В отличие от сетей CSMA/CD, таких как Ethernet, сети с передачей маркера являются детерминистическими. Это означает, что можно вычислить максимальное время, которое пройдет до того, как любая станция получит возможность передавать данные. Эта функция, а также некоторые другие функции обеспечения надежности, делают сети Token Ring идеальными для приложений, в которых задержка должна быть предсказуема и важно устойчивое функционирование сети. Примером подобных приложений может быть автоматизированная производственная линия.

В сетях Token Ring применяется сложная система приоритетов, позволяющая станциям, которым пользователь присвоит более высокий приоритет, использовать сеть чаще других. Фреймы сети Token Ring имеют два поля, которые управляют приоритетами: поле приоритета и поле резервирования.

В сетях Token Ring и IEEE 802.5 поддерживаются два основных типа фреймов: маркеры и фреймы данных/управления. Маркер состоит из признака начала, байта управления доступом и признака конца. Размер фреймов данных и фреймов управления не является постоянным и изменяется в зависимости от размера информационного поля. Фреймы данных переносят информацию протоколов верхних уровней, а фреймы управления содержат только управляющую информацию и не включают в себя данные верхних уровней.Тониевич А.- Компьютерные сети. 2012год. 115с

2.4 WI-FI/IEEE 802.11

Разработкой правил функционирования локальных сетей стандарта Ethernet с беспроводной средой передачи данных WLAN (Working Group for Wireless Local Area Networks, рабочая группа по беспроводным локальным сетям), использующих частоты 2,4 и 5 ГГц, занимается подкомитет 802.11. В его состав входит более 100 компаний, которые непосредственно связаны с производством сетевого оборудования, программного обеспечения для беспроводных локальных сетей и т. п. Особенности некоторых из беспроводных стандартов:

IEEE802.11

Стандарт IEEE 802.11, разработка которого была начата сразу после образования комитета 802.11, что произошло в 1990 году, является первым беспроводным стандартом, который можно было использовать для создания локальной сети. Перед комитетом ставилась задача разработать стандарт, который позволил бы добиться устойчивой работы беспроводной сети. При этом необходимо было достичь стандартной скорости передачи данных 1 Мбит/с и опциональной скорости передачи данных 2 Мбит/с. Результат был получен, но на это ушло целых 7 лет работы.

Стандарт IEEE 802.11 описывает функционирование беспроводной сети в диапазоне частот 2400-2483,5 МГц, а также в инфракрасном диапазоне частот. При этом для обработки сигналов используются методы DSSS и FHSS, имеющие разный принцип работы, что делает их несовместимыми между собой. Рассматриваемый стандарт предусматривает выполнение следующих положений:

a) для работы в локальной сети используется оборудование, которое работает в диапазоне радиочастот 2400-2483,5 МГц;

b) радиус сети не превышает 300 м;

c) стандартная скорость передачи данных - 1 Мбит/с, опциональная - 2Мбит/с;

d) используется метод прямой последовательности DSSS с технологией модуляции сигнала PSK или метод частотных скачков FHSS с технологией модуляции FSK.

При использовании стандарта IEEE 802.11 теоретический радиус сети составляет 300 м. На практике же он редко превышает 50-100 м, что обусловлено наличием большого количества препятствий для распространения сигнала. Этого радиуса вполне достаточно для организации работы локальной сети в небольшом офисе. Однако скорость передачи данных даже для 1997 года, когда появился этот стандарт, оказалась слишком низкой. И это при том, что проводные варианты сети предлагали скорость на порядок выше. Данный факт и стоимость оборудования и стали причиной того, что этот стандарт не нашел широкого применения.

IEEE 802.11b

Со стандарта IEEE 802.11b началось широкое распространение беспроводных сетей. Именно этот стандарт стал причиной появления Wi-Fi (Wireless Fidelity, беспроводная точность). Появилось большое количество оборудования этого стандарта, в ноутбуки и другие переносные устройства также стали встраивать поддержку стандарта IEEE 802.11b. Беспроводные локальные сети данного стандарта даже сейчас встречаются часто.

Стандарт предусматривает следующие правила и соглашения:

a)для работы в локальной сети используется оборудование, которое функционирует в диапазоне радиочастот 2400-2483,5 МГц;

b) радиус сети не превышает 300 м;

c)стандартная скорость передачи данных - 1 и 5,5 Мбит/с, опциональная - 2 и 11 Мбит/с;

d)для работы с сигналом применяется метод прямой последовательности DSSS с восьмиразрядными последовательностями Уолша и CCK;

e)в качестве протокола безопасности используется протокол WEP;

f)для доступа к передающей среде применяется метод CSMA/CA.

Чтобы добиться скорости передачи данных 11 Мбит/с, используется метод DSSS, применяющий 5 перекрывающихся поддиапазонов. Для шифрования данных применяется последовательность дополнительных комплементарных кодов. Это позволяет добиться большей устойчивости кода за счет его избыточности.

Из плюсов IEEE 802.11b можно отметить то, что оборудование этого стандарта имеет наибольшую чувствительность. По этой причине качество связи с применением такого оборудования гораздо выше, чем при использовании оборудования с более новыми стандартами. Кроме того, некоторые производители предлагают оборудование, которое может работать на скорости 22 Мбит/с (IEEE 802.11b+) при условии применения оборудования от одного производителя.

Минусом стандарта является то, что скорость передачи данных может падать вплоть до самой низкой, что зависит от количества преград между передатчиком и приемником сигнала. Кроме того, оборудование стандарта IEEE 802.11b использует WEP-шифрование, безопасность которого очень низкая. При использовании соответствующих программ получить ключ беспроводной сети с таким шифрованием можно достаточно быстро.

IEEE 802.11а

Конечно, было бы логично, если бы стандарт IEEE 802.11a появился раньше, чем IEEE 802.11b. Но, несмотря на то, что работа над этими стандартами велась параллельно, стандарт IEEE 802.11a был принят позднее, в 2001 году. При разработке данного стандарта комитет пошел другим путем, решив использовать в качестве диапазона частот сразу три полосы: 5,15-5,25 МГц, 5,25-5,35 МГц, 5,725-5,825 МГц. Это позволяет добиться большей пропускной способности, а также использовать более свободный диапазон частот. При этом применяются новые методы обработки сигнала, а также новые, более усовершенствованные алгоритмы шифрования.

Стандарт предусматривает следующие правила и соглашения:

a) для работы в локальной сети используется оборудование, которое функционирует в диапазоне радиочастот 5,15-5,25 МГц, 5,25-5,35 МГц и 5,725-5,825 МГц;

b) радиус сети не превышает 100 м;

c) стандартная скорость передачи данных - 1, 6, 12 и 24 Мбит/с, опциональная - 2, 9, 18, 36, 48 и 54 Мбит/с;

d) применяется метод ортогонального частотного мультиплексирования OFDM.

Главным достоинством этого стандарта является высокая скорость передачи данных, однако это практически единственный его плюс.

Минусов гораздо больше, и основные из них следующие:

? малый радиус сети, который резко уменьшается при наличии незначительных препятствий сигналу;

? несовместимость IEEE 802.11a с существующими стандартами (кроме 802.1 1n), что делает использование сетевого адаптера невозможным, если применяется точка доступа с другим стандартом;

? практически во всех странах требуется наличие соответствующего разрешения и даже лицензии на использование оборудования для работы с указанными диапазонами частот.

Эти недостатки привели к тому, что стандарт IEEE 802.11a не получил того распространения, которое ожидалось, даже несмотря на высокую скорость передачи данных.

IEEE 802.11g

В начале 2000 года многие ожидали появления стандарта IEEE 802.11g, поскольку наиболее распространенный на то время стандарт IEEE 802.11b уже не удовлетворял своими возможностями как в плане скорости, так и в плане безопасности. И это сдерживало распространение беспроводных сетей. Оборудование стандарта IEEE 802.11g, как это обычно бывает, появилось на рынке гораздо раньше, чем был принят сам стандарт (он был принят в 2003 году). Ожидание полностью оправдалось: новый стандарт получился очень функциональным, а главное, имел новый уровень безопасности. Кроме того, совместимость IEEE 802.11g со стандартом IEEE 802.11b позволила использовать оборудование стандарта IEEE 802.11b в сетях IEEE 802.11g.

Основные правила и соглашения, описанные в стандарте IEEE 802.11g:

? для работы в локальной сети используется оборудование, которое функционирует в диапазоне частот 2400-2483,5 МГц;

? радиус сети не превышает 300 м;

? стандартная скорость передачи данных - 1, 5,5, 11, 24, 33 и 48 Мбит/с, опциональная - 2, 9, 12, 18, 36 и 54 Мбит/с;

? для работы с сигналом применяется усовершенствованный метод прямой последовательности CCK-DSSS и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC;

? в качестве протоколов безопасности и аутентификации используются WPА, WPA2, AES, TKIP и др.;

? для доступа к передающей среде применяется метод CSMA/CA;

? максимальное количество подключений - 2048.

Поддержка этого удачного стандарта сразу же была реализована в ноутбуках и переносных устройствах, что также повысило его популярность. Кроме того, как и в случае со стандартом IEEE 802.1 1b, некоторые производители, например D-Link, выпустили на рынок устройства, способные работать на скорости 108 (IEEE 802.1 1g+) и даже 125 Мбит/с, что сделало данный стандарт еще более привлекательным.Гепко И.А., Олейник В.Ф., Чайка Ю.Д., Бондаренко А.В. Современные беспроводные сети: состояние и перспективы развития. 2009год. 672с

IEEE 802.11n

В 2009 году был принят стандарт IEEE 802.11n, который начал новую эру в развитии беспроводных сетей. Использование оборудования данного стандарта позволяет достигать значительных скоростей передачи данных, вплоть до 300 Мбит/с (по некоторым данным - до 600 Мбит/с). Такая скорость передачи данных стала возможной благодаря более оптимальному использованию полос радиочастот, а также применению более качественных аналоговых чипов обработки сигналов с раздельным приемным и передающим трактами. В отличие от стандарта IEEE 802.11g, новый стандарт использует деление доступного частотного диапазона на полосы шириной 40 МГц с параллельной передачей данных сразу по нескольким полосам.

Стандарт IEEE 802.11n предусматривает следующие правила:

? беспроводное оборудование работает в диапазонах частот 2,4 и 5 ГГц, выбор которых происходит в зависимости от режима работы. Он зависит от стандартов оборудования, которое работает в локальной сети. Например, если в сети используется оборудование разных стандартов, то будет выбран режим совместимости с предыдущими стандартами, и скорость передачи данных при этом будет гораздо ниже стандартной. Если же применяется только оборудование стандарта IEEE 802.11n, то будет выбран режим с максимальной скоростью передачи данных;

? радиус сети не превышает 450 м;

? скорость передачи данных зависит от режима использования оборудования и составляет от 54 Мбит/с (в режиме совместимости со стандартами IEEE 802.11a, IEEE 802.11b и IEEE 802.11g) до 300 Мбит/с (при использовании устройств стандарта IEEE 802.11n);

? для обработки сигнала применяется усовершенствованный метод ортогонального частотного мультиплексирования OFDM и технология многоканальных антенных систем MIMO.

На сегодняшний день стандарт IEEE 802.11n является наиболее перспективным, тем более что стоимость оборудования этого стандарта вполне доступна. Кроме того, по некоторым данным, ждать появления нового стандарта, который позволит вдвое увеличить пропускную способность сети, придется ни много ни мало - до 2016 года.

Новый разрабатываемый стандарт IEEE 802.11ac:

IEEE 802.11ac - это новый стандарт беспроводных компьютерных сетей семейства 802.11 для сетей Wi-Fi на частотах 5-6 ГГц. Устройства, которые работают по этому стандарту, обеспечивают скорость передачи данных более 1 Гбит/с (до 6 Гбит/с 8x MU-MIMO), что многократно выше, чем существующий на сегодняшний день 802.11n. Стандарт подразумевает использование до 8 антенн MU-MIMO и расширение канала до 80 и 160 МГц. По версии компании Broadcom, данный стандарт относится к сетям нового поколения 5G.

20 января 2011 года была принята первая черновая редакция версии 0.1.

На текущий момент некоторыми производителями (Quantenna, Broadcom, Buffalo) уже представлены чипы, поддерживающие работу по стандарту IEEE 802.11ac Draft 0.1.

2.5 Bluetooth/IEEE 802.15.1

Стандарт Bluetooth разработан группой Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group), которая была организована по инициативе компании Ericsson. Стандарт Bluetooth также адаптирован рабочей группой IEEE 802.15.1 в соответствии с общей структурой стандартов IEEE 802.

В технологии Bluetooth используется концепция пикосети. Название подчеркивает небольшую область покрытия, от 10 до 100 м, в зависимости от мощности излучения передатчика устройства. В пикосеть может входить до 255 устройств, но только 8 из них могут в каждый момент времени быть активными и обмениваться данными.

Сеть Bluetooth использует технику расширения спектра FHSS.

Для надежной передачи данных в технологии Bluetooth может выполняться прямая коррекция ошибок (FEC), а получение кадра подтверждается с помощью квитанций. В сетях Bluetooth для передачи информации двух типов используются разные методы.

* Для чувствительного к задержкам трафика (например, голоса) сеть поддерживает синхронный канал, ориентированный на соединение (Synchronous Connection-Oriented link, SCO). Этот канал работает на скорости 64 Кбит/с. Для канала SCO пропускная способность резервируется на все время соединения.

* Для эластичного трафика (например, компьютерных данных) используется работающий с переменной скоростью асинхронный канал, не ориентированный на соединение (Asynchronous Connection-Less link, ACL). Для канала ACL пропускная способность выделяется по запросу подчиненного устройства или по потребности главного устройства.

За все время работы группы Bluetooth SIG было разработано шесть стандартов Bluetooth, которые по договоренности с IEEE в 2002 году стали частью стандартов IEEE 802.15.

Bluetooth 1.0, 1.0A, 1.0В

Стандарт Bluetooth 1.0 (IEEE 802.15.1) появился в 1998 году (последняя версия 1.0В была принята в 1999 году). В данной ситуации справедлива пословица «первый блин - комом». Данный стандарт явно поспешили выпустить в свет только затем, чтобы привлечь внимание общественности к разработке вообще.

Спецификация версии 1.0B предусматривает обмен данными между устройствами, физические адреса (идентификаторы устройств) которых заранее известны. Это является одним из недостатков, поскольку невозможен анонимный обмен данными. Однако это не так критично, как проблемы с совместимостью устройств. Именно они обусловили провал Bluetooth 1.0.

Главной причиной этого стали недоработки и несоблюдения производителями соглашений спецификации. Это привело к тому, что широкополосные и узкополосные варианты устройств оказались полностью несовместимы между собой. Однако в любом случае цель была достигнута - обмен данными между совместимыми устройствами был обеспечен. При этом теоретическая скорость передачи данных составляла 732,2 Кбит/с с расстоянием действия до 100 м.Витаминюк А.И.- Создание, обслуживание и администрирование сетей на 100% - 2010год. Санкт-Петербург 232с

Bluetooth 1.1

Через два с половиной года, в 2002 году, произошло «второе пришествие» Bluetooth в виде спецификации 1.1 (IEEE 802.15.1-2002). Данная спецификация стала более успешной, поскольку было решено множество проблем, связанных с ошибками и несовместимостью устройств.

Самым значительным нововведением стала поддержка работы по незашифрованным каналам и возможность выбора наиболее подходящего канала для передачи данных благодаря поддержке индикации уровня мощности сигнала RSSI (Radio Signal Strength Indicator).

Bluetooth 1.2

Спецификация Bluetooth 1.2, появившаяся в 2003 году, является дальнейшим развитием технологии Bluetooth, и нужно сказать, она стала настолько удачным решением, что во многие переносные и портативные устройства начали встраивать контроллер Bluetooth 1.2. Их до сих пор можно встретить в устройствах, приобретенных несколько лет назад.

Главными особенностями новой версии Bluetooth стали:

? ускоренный поиск устройств и ускоренное подключение к ним;

? внедрение поддержки технологии eSCO (Extended Synchronous Connections, расширенное синхронное соединение), улучшающей качество связи со звукопередающей и воспроизводящей гарнитурой;

? внедрение технологии адаптивного изменения канала AFH (Adaptive Frequency Hopping, скачкообразная адаптация частоты), позволяющей выбирать канал связи исходя из количества препятствий по ходу сигнала;

? обратная совместимость с устройствами предыдущих версий;

? увеличенная реальная скорость передачи данных;

? поддержка до 8 устройств.

Bluetooth 2.0

Начиная с версии 2.0, которая появилась в 2004 году, технология Bluetooth стала совершенствоваться как в плане возможностей, так и в плане скоростных характеристик.

Основными нововведениями этой версии Bluetooth стали:

? технология EDR (Enhanced Data Rate, увеличенная пропускная способность), позволившая значительно увеличить скорость передачи данных. По этой причине данную версию Bluetooth часто называют Bluetooth 2.0+EDR;

? скорость передачи данных до 3 Мбит/с;

? обратная совместимость со старыми версиями Bluetooth;

? поддержка механизма Multi-Cast, позволяющего отправлять данные сразу нескольким устройствам;

? сервис качества QoS (Quality of Service), контролирующий качество связи и устраняющий эффект торможения при работе с несколькими устройствами;

? распределенный контроль доступа к передающей среде, позволяющий поддерживать работу с 256 устройствами;

? уменьшенное энергопотребление.

Как видно, в версии 2.0 действительно произошли значительные изменения. В результате распространение Bluetooth приобрело массовый характер, как в мобильных устройствах, так и в компьютерной технике.

Bluetooth 2.1

В 2007 году в свет вышла новая доработанная версия - Bluetooth 2.1, основными нововведениями в которой стали:

? технология NFC (Near Field Communication), делающая соединение более безопасным и исключающим возможность перехвата данных третьими лицами;

? технология уменьшения энергопотребления Sniff Subrating, благодаря которой энергопотребление снизилось в 3-10 раз по сравнению со старыми версиями Bluetooth;

? обновление ключа шифрования без разрыва соединения.

Как и в версии 2.0, в Bluetooth 2.1 имеется поддержка технологии EDR, в связи с чем повсеместно используется название Bluetooth 2.1+EDR.

Bluetooth 3.0

Спецификация Bluetooth 3.0, или Bluetooth High Speed, принятая в 2009 году, на сегодняшний день является наиболее перспективной в плане использования для организации обмена данными между устройствами.

Новая версия Bluetooth имеет следующие нововведения:

? скорость передачи данных до 24 Мбит/с;

? уменьшенное энергопотребление;

? использование альтернативных протоколов IEEE 802.11;

? применение профилей;

? поддержка работы одновременно с 7 устройствами, при этом 255 устройств могут

находиться в режиме ожидания;

? технология EPC (Enhanced Power Control, улучшенное управление питанием), позволяющая уменьшить количество обрывов при перемещении Bluetooth-устройств даже при кратковременном пропадании сигнала.

Bluetooth 4.0

Скоростью передачи данных Bluetooth 4.0 не очень велика - всего 1 Мбит/с.

Но его главное преимущество не в скорости. Среди наиболее существенных достоинств технологии - это сверхмалое пиковое энергопотребление, среднее энергопотребление и энергопотребление в режиме простоя, обеспечивающее устройствам возможность работать годами на миниатюрной батарейке; низкая стоимость, высокая совместимость и расширенный радиус действия.

Дополнение к основной спецификации Bluetooth предусматривает два варианта реализации: двухрежимный и однорежимной. В первом случае, функциональность Bluetooth с пониженным энергопотреблением интегрирована в существующий контроллер Classic Bluetooth. Это позволяет совместно использовать радиочастотный блок и минимально удорожает конструкцию. Кроме того, производители могут использовать микросхемы Classic Bluetooth (Bluetooth V2.1 + EDR или Bluetooth V3.0 + HS) с новым стеком Bluetooth с пониженным энергопотреблением, добавив в устройства с Classic Bluetooth новые возможности. Однорежимные микросхемы позволят создавать недорогие и компактные устройства с малым энергопотреблением в режиме ожидания, способностью защищать передаваемые данные шифрованием, надежной связью «точка-многоточка» и развитыми режимами энергосбережения.

Стандарт предназначен для использования в небольших устройствах с ограниченным запасом энергии, таких как наручные часы, калькуляторы, пульты дистанционного управления и т.п.

В данный момент уже начали появляться устройства с поддержкой нового стандарта Bluetooth 4.0(как отдельно, так и в паре с Bluetooth 3.0).

Устройства нового стандарта уже вполне могут составить конкуренцию сетям Wi-Fi, тем более что стоимость самих устройств очень низка. Данный стандарт просто незаменим для быстрого соединения двух компьютеров и передачи данных.

2.6 WirelessMAN/IEEE 802.16

В августе 1998 года по инициативе Национальной испытательной лаборатории беспроводных электронных систем Национального института стандартов и технологий США ( National Institute of Standards and Technology ) комитет 802 IEEE организовал рабочую группу 802.16. С июля 1999 года группа приступила к регулярной работе над новым стандартом широкополосных городских (региональных) сетей передачи данных (MAN - Metropolitan Access Network) с фиксированным доступом. Соответственно новый стандарт получил название WirelessMAN.

Изначально деятельность велась в трех направлениях - разработка стандартов для диапазонов 10-66 ГГц (первоначально обозначался 802.16.1) и 2-11 ГГц (802.16.3), а также стандарта, регламентирующего совместную работу различных систем широкополосного беспроводного вешания (802.16.2).

Уже в декабре 2001 года быт утвержден стандарт IEEE 802.16 «Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems» -- «Воздушный интерфейс для фиксированных систем с широкополосным беспроводным доступом» (официально опубликован 8 апреля 2002 года). Стоит отметить, что существует несколько спецификаций стандарта 802.16. Первая это 802.16-2004 (известен также как 802.16d и фиксированный WiMAX), а вторая 802.16-2005 (известен также как 802.16e и мобильный WiMAX)

Часто используют коммерческое имя стандарта IEEE 802.16 - WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Произошло оно от названия Международной организации WiMax Forum (www.wimaxforum.org), в которую входит ряд ведущих коммуникационных и полупроводниковых компаний ( Airspan Networks, Alvarion Ltd, Aperto Networks, Fujitsu Microelectronics America, Intel. OFDM Forum, Proxim Corporation, Wi-LAN Inc и др.).Трусов А. Беспроводные сети. Санкт-Петербург. 2008год. 342с

Задачи непосредственной доставки потоков данных между базовыми станциями и абонентскими станциями решаются на физическом уровне стандарта IEEE 802.16. Функции же, связанные с формированием структур этих данных, а также управлением работой системы IEEE 802.16 реализуются на МАС-уровне. Оборудование стандарта IEEE 802.16 призвано формировать транспортную среду для различных приложений (сервисов), поэтому первая задача, решаемая в IEEE 802.16 это механизм поддержки разнообразных сервисов верхнего уровня. Структурно МАС-уровень стандарта IEEE 802.16 подразделяется на три подуровня: подуровень преобразования сервиса CS (Convergence Sublayer), основной подуровень CPS (Common Part Sublayer) и подуровень зашиты PS (Privacy Sublayer).

Ключевой момент в стандарте IEEE 802.16 это понятие сервисного потока

и связанные с ним понятия «соединение» и «идентификатор соединения» (CID). Поскольку система IEEE 802.16 -- лишь транспортная среда, ее инфраструктура фактически формирует коммуникационные каналы для потоков данных различных приложений верхних уровней (сервисов), таких, как передача видеоданных, АТМ-потоки, IP-потоки, передача телефонных мультиплексированных пакетов типа Е1 и т.д. Каждое из таких приложений обладает своими требованиями к скорости передачи, надежности (качеству обслуживания, QoS), криптозащите и т.д.

Передача данных на физическом уровне происходит посредством непрерывной последовательности кадров фиксированной длительности. Кадр состоит из двух субкадров для нисходящего потока (от базовой станции к АС) и для восходящего (от АС к БС). Дуплексный механизм предусматривает как частотное (FDD frequency division duplex), так и временное (TDD time division duplex) разделение восходящего и нисходящего субкадров.

Основной принцип предоставления доступа к каналу в стандарте IEEE 802.16 это доступ по запросу Demand Assigned Multiple Access (DAMA).

Стандарт IEEE 802.16 предусматривает два режима предоставления доступа - для каждого отдельного соединения и для всех соединений определенной Абонентской станции.

На физическом уровне стандарт IEEE 802.16 предусматривает три принципиально различных метода передачи данных: метод модуляции одной несущей (SC single carrier, в диапазоне ниже 11 ГГц SCa), метод модуляции посредством ортогональных несулцих OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) и метод мультиплексирования (множественного доступа) посредством ортогональных несущих OFDMA (orthogonal frequency division multiple access). Режим SCa отличается от своего более высокочастотного собрата SC прежде всего методами помехоустойчивого кодирования и модуляции (допускается 256-уровневая квадратурная модуляция 256-QAM).

Метод WirelessMAN-SC стандарта IEEE 802.16 описывает работу в диапазоне 10-66 ГГц сетей с архитектурой «точка-многоточка» (из центра многим). Это двунаправленная система, т.е. предусмотрены нисходящий и восходящий потоки. При этом каналы подразумеваются широкополосные (до 25 28 МГц), а скорости передачи высокие (например, 120 Мбит/с).

«Забегая вперёд» хочется отметить, что будущие перспективы WIMAX очень туманны. У данной технологии имеются серьёзные конкуренты в лице LTE и UMB, а так же российская технология Yota. Какая из этих сетей займёт лидирующие позиции в ближайшее время неизвестно. Бурно развивающаяся технология под названием Yota - это наиболее амбициозный российский проект в области мобильного WiMAX - сеть ООО «Скартел» в диапазоне 2,5 2,7 ГГц (торговая марка Yota). Достаточно сказать, что в данной области это третий по величине проект в мире. Компания «Скартел» основана в мае 2007 года в Санкт-Петербурге. Она входит в международный холдинг WiMAX Holding, с 30 октября 2008 года 25.1% акций которой принадлежат госкорпорации «Ростехнологии».

Развитие беспроводной связи сопровождается непрерывной сменой технологии. Объем пакетных данных в сетях сотовой связи третьего поколения (3G) уже превышает объем голосового трафика, что связано с внедрением технологий HSPA. Само понятие сетей следующего, четвертого, поколения (4G) неразрывно связано (если не синонимично) с созданием универсальных мобильных мультимедийных сетей передачи информации.

Сегодня две группы технологий явно нацелены на оказание универсальных услуг связи. Это WiMAX ( как развитие линии IEEE 802) и технологии сотовой связи поколений «супер 3G» (Super 3G или Long Term Evolution (LTE) которую позиционируют как систему 3,9G ). Причем каждая из них занимает свою нишу на обширном рынке беспроводной связи .

Системы с технологией HSPA (3GPP релиз 6) коммерчески доступны с 2007 года. Технология предусматривает частотное дуплексирование (FDD) с шириной каждого дуплексного канала 5 МГц. В нисходящем канале используется модуляция QPSK либо 16-QAM, двойное пространственное разнесение на приеме (1х2 SIMO), пиковая скорость 14 Мбит/с. В восходящем канале модуляция BPSK либо QPSK, антенная конфигурация 1x2 SIMO. пиковая скорость 5,8 Мбит/с.

Следующим шагом в эволюции систем HSPA являются технологии HSPA+ (HSPA релиз 7 и отдельные поправки релиза 8). Системы HSPA+ стати доступны в конце 2008 года. В нисходящем канале их отличает модуляция 64-QAM с SIMO (1 x 2 ) или 16-QAM с MIMO (2 х 2). В восходящем канапе добавлена модуляция 16-QAM и улучшены возможности для VoIP.

Дальнейшим шагом в эволюции систем 3GPP, причем стратегическим шагом, являются системы Long Term Evolution (LTE). Их отличает технология OFDMA в нисходящем канате и SC-FDMA в восходящем. Модуляция до 64-QAM, ширина каната до 20 МГц. дуплексирование TDD и FDD. Применены адаптивные антенные системы, гибкая сеть доступа. Сетевая архитектура полностью IP-сеть. В системе LTE используются технологии и методы, уже применяемые в мобильном WiMAX, поэтому следует ожидать схожей эффективности систем LTE. Системы LTE -- это революционное улучшение 3G. LTE представляет переход от систем CDMA к системам OFDMA, а также переход к полностью IP-системе с коммутацией пакетов. Поэтому внедрение этой технологии на существующих сетях сотовой связи означает, как минимум, необходимость новых радиочастотных ресурсов для получения преимущества от широкого канала. Кроме того, для обеспечения обратной совместимости необходимы двухрежимные абонентские устройства. Поэтому плавный переход от систем 3G к LTE весьма проблематичен. Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Юрчук А.Б. Сети мобильной связи LTE. Технологии и архитектура. 2010год.

Дальнейшее развитие мобильного WiMAX будут описывать спецификации релиза 2.0. Он будет основан на стандарте IEEE 802.16m, который отражает требования IMT-Advanced. В соответствии с ними, по сравнению с параметрами WiMAX релиз 1.0 вдвое увеличатся спектральная эффективность в нисходящем (до 2,6 бит/с/Гц) и восходящем (1,3 бит/с/Гц) каналах. Этот параметр возрастёт вдвое и на границе соты базы до 0.09 и 0,05 бит/с/Гц для нисходящего и восходящего каналов, соответственно. Станут возможными более 60 одновременных голосовых сессий на мегагерц для речевого кодека AMR (12.2 кбит/с). Появится режим расширения каналов за счет интеграции отдельных частотных полос как смежных, так и нет (всего до 100 МГц). Допустимая скорость перемещения мобильных терминалов возрастет до 500 км/ч. Сократится время установления соединения, общая задержка радиосети и время переключения при хендовере. При этом гарантируется полная обратная совместимость с системами WiMAX релиза 1.0 и 1.5. технологий WiM АХ и LTE.