Проектирование беспроводной локальной сети

2.8.1 Структура Fast Ethernet

Чтобы лучше понять работу и разобраться во взаимодействии элементов Fast Ethernet обратимся к рис 2.8



Рис 2.8 Система Fast Ethernet

2.8.1.1 Подуровень управления логической связью (LLC)

В спецификации IEEE 802.3 u функции канального уровня разбиты на два подуровня: управления логической связью (LLC) и уровня доступа к среде (MAC), который будет рассмотрен ниже. LLC, функции которого определены стандартом IEEE 802.2, фактически обеспечивает взаимосвязь с протоколами более высокого уровня, (например, с IP или IPX), предоставляя различные коммуникационные услуги:

· Сервис без установления соединения и подтверждений приема. Простой сервис, который не обеспечивает управления потоком данных или контроля ошибок, а также не гарантирует правильную доставку данных.

· Сервис с установлением соединения. Абсолютно надежный сервис, который гарантирует правильную доставку данных за счет установления соединения с системой-приемником до начала передачи данных и использования механизмов контроля ошибок и управления потоком данных.

· Сервис без установления соединения с подтверждениями приема. Средний по сложности сервис, который использует сообщения подтверждения приема для обеспечения гарантированной доставки, но не устанавливает соединения до передачи данных.

На передающей системе данные, переданные вниз от протокола Сетевого уровня, вначале инкапсулируются подуровнем LLC. Стандарт называет их Protocol Data Unit (PDU, протокольный блок данных). Когда PDU передается вниз подуровню MAC, где снова обрамляется заголовком и постинформацией, с этого момента технически его можно назвать кадром. Для пакета Ethernet это означает, что кадр 802.3 помимо данных Сетевого уровня содержит трехбайтовый заголовок LLC. Таким образом, максимально допустимая длина данных в каждом пакете уменьшается с 1500 до 1497 байтов.

Заголовок LLC состоит из трех полей:

· DSAP (1 байт) Destination Service Access Point - точка доступа к сервису системы - получателя указывает, в каком месте буферов памяти системы-получателя следует разместить данные пакета.

· SSAP (1 байт) Source Service Access Point - точка доступа к сервису системы - источника выполняет такие же функции для источника данных, размещенных в пакете, на передающей системе.

· Поле управления (1 или 2 байта) указывает на тип сервиса, необходимого для данных в PDU и функций пакета. В зависимости от того, какой сервис нужно предоставить, поле управления может быть длиной 1 или 2 байта.

В некоторых случаях кадры LLC играют незначительную роль в процессе сетевого обмена данными. Например, в сети, использующей TCP/IP наряду с другими протоколами, единственная функция LLC может заключаться в предоставлении возможности кадрам 802.3 содержать заголовок SNAP, подобно Ethertype указывающий протокол Сетевого уровня, которому должен быть передан кадр. В этом случае все PDU LLC задействуют ненумерованный информационный формат. Однако другие высокоуровневые протоколы требуют от LLC более расширенного сервиса. Например, сессии NetBIOS и несколько протоколов NetWare используют сервисы LLC с установлением соединения более широко.

2.8.1.2 Заголовок SNAP

Принимающей системе необходимо определить, какой из протоколов Сетевого уровня должен получить входящие данные. В пакетах 802.3 в рамках PDU LLC применяется еще один протокол, называемый Sub - Network Access Protocol (SNAP, протокол доступа к подсетям).

Заголовок SNAP имеет длину 5 байт и располагается непосредственно после заголовка LLC в поле данных кадра 802.3, как показано на рисунке. Заголовок содержит два поля.

Код организации. Идентификатор организации или производителя -- это 3-байтовое поле, которое принимает такое же значение, как первые 3 байта МАС-адреса отправителя в заголовке 802.3.

Локальный код. Локальный код -- это поле длиной 2 байта, которое функционально эквивалентно полю Ethertype в заголовке Ethernet II.

2.8.1.3 Подуровень согласования

Как было сказано ранее Fast Ethernet это эволюционировавший стандарт. MAC рассчитанный на интерфейс AUI, необходимо преобразовать для интерфейса MII, используемого в Fast Ethernet, для чего и предназначен этот подуровень.

2.8.1.4 Управление доступом к среде (MAC)

Каждый узел в сети Fast Ethernet имеет контроллер доступа к среде (Media AccessController -- MAC). MAC имеет ключевое значение в Fast Ethernet и имеет три назначения:

· определяет, когда узел может передать пакет;

· пересылает кадры уровню PHY для преобразования в пакеты и передачи в среду;

· получает кадры из уровня PHY и передает обрабатывающему их программному обеспечению (протоколам и приложениям).

Самым важным из трех назначений MAC является первое. Для любой сетевой технологии, которая использует общую среду, правила доступа к среде, определяющие, когда узел может передавать, являются ее основной характеристикой. Разработкой правил доступа к среде занимаются несколько комитетов IЕЕЕ. Комитет 802.3, часто именуемый комитетом Ethernet, определяет стандарты на ЛВС, в которых используются правила под названием CSMA/ CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов).

CSMS/ CD являются правилами доступа к среде как для Ethernet, так и для Fast Ethernet. Именно в этой области две технологии полностью совпадают.

Поскольку все узлы в Fast Ethernet совместно используют одну и ту же среду, передавать они могут лишь тогда, когда наступает их очередь. Определяют эту очередь правила CSMA/ CD.

2.8.2 CSMA/ CD

Контроллер MAC Fast Ethernet, прежде чем приступить к передаче, прослушивает несущую. Несущая существует лишь тогда, когда другой узел ведет передачу. Уровень PHY определяет наличие несущей и генерирует сообщение для MAC. Наличие несущей говорит о том, что среда занята и слушающий узел (или узлы) должны уступить передающему.

MAC, имеющий кадр для передачи, прежде чем передать его, должен подождать некоторый минимальный промежуток времени после окончания предыдущего кадра. Это время называется межпакетной щелью (IPG, interpacket gap) и продолжается 0,96 микросекунды, то есть десятую часть от времени передачи пакета обычной Ethernet со скоростью 10 Мбит/с (IPG -- единственный интервал времени, всегда определяемый в микросекундах, а не во времени бита) рис. 2.9

Рис. 2.9 Межпакетная щель

После окончания пакета 1 все узлы ЛВС обязаны подождать в течение времени IPG, прежде чем смогут передавать. Временной интервал между пакетами 1 и 2, 2 и 3 на рис. 2 -- это время IPG. После завершения передачи пакета 3 ни один узел не имел материала для обработки, поэтому временной интервал между пакетами 3 и 4 длиннее, чем IPG.

Все узлы сети должны соблюдать эти правила. Даже если на узле имеется много кадров для передачи и данный узел является единственным передающим, то после пересылки каждого пакета он должен выждать в течение, по крайней мере, времени IPG.

Именно в этом заключается часть CSMA правил доступа к среде Fast Ethernet. Короче говоря, многие узлы имеют доступ к среде и используют несущую для контроля ее занятости.

В ранних экспериментальных сетях применялись именно эти правила, и такие сети работали очень хорошо. Тем не менее, использование лишь CSMA привело к возникновению проблемы. Часто два узла, имея пакет для передачи и прождав время IPG, начинали передавать одновременно, что приводило к искажению данных с обеих сторон. Такая ситуация называется коллизией (collision) или конфликтом.

Для преодоления этого препятствия ранние протоколы использовали достаточно простой механизм. Пакеты делились на две категории: команды и реакции. Каждая команда, переданная узлом, требовала реакции. Если в течение некоторого времени (называемого периодом тайм-аута) после передачи команды реакция на нее не была получена, то исходная команда подавалась вновь. Это могло происходить по нескольку раз (предельное количество тайм-аутов), прежде чем передающий узел фиксировал ошибку.

Эта схема могла прекрасно работать, но лишь до определенного момента. Возникновение конфликтов приводило к резкому снижению производительности (измеряемой обычно в байтах в секунду), потому что узлы часто простаивали в ожидании ответов на команды, никогда не достигающие пункта назначения. Перегрузка сети, увеличение количества узлов напрямую связаны с ростом числа конфликтов и, следовательно, со снижением производительности сети.

Проектировщики ранних сетей быстро нашли решение этой проблемы: каждый узел должен устанавливать факт потери переданного пакета путем обнаружения конфликта (а не ожидать реакции, которая никогда не последует). Это означает, что потерянные в связи с конфликтом пакеты должны быть немедленно переданы вновь до окончания времени тайм-аута. Если узел передал последний бит пакета без возникновения конфликта, значит, пакет передан успешно.

Метод контроля несущей хорошо сочетать с функцией обнаружения коллизий. Коллизии все еще продолжают происходить, но на производительности сети это не отражается, так как узлы быстро избавляются от них. Группа DIX, разработав правила доступа к среде CSMA/CD для Ethernet, оформила их в виде простого алгоритма - рис. 2.10.



Рис. 2.10 Алгоритм работы CSMA/CD

2.8.3 Устройство физического уровня (PHY)

Поскольку Fast Ethernet может использовать различный тип кабеля, то для каждой среды требуется уникальное предварительное преобразование сигнала. Преобразование также требуется для эффективной передачи данных: сделать передаваемый код устойчивым к помехам, возможным потерям, либо искажениям отдельных его элементов (бодов), для обеспечения эффективной синхронизации тактовых генераторов на передающей или приемной стороне.

2.8.3.1 Подуровень кодирования (PCS)

Кодирует/декодирует данные поступающие от/к уровня MAC с использованием алгоритмов 4B/5B или 8B/6T.

2.8.3.2 Подуровни физического присоединения и зависимости от физической среды (PMА и PMD)

Подуровни РМА и PMD осуществляют связь между подуровнем PSC и интерфейсом MDI, обеспечивая формирование в соответствии с методом физического кодирования: NRZI или MLT-3.

2.8.3.3 Подуровень автопереговоров (AUTONEG)

Подуровень автопереговоров позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбирать наиболее эффективный режим работы: дуплексный или полудуплексный 10 или 100 Мб/с.

2.8.4 Физический уровень

Стандарт Fast Ethernet определяет три типа среды передачи сигналов Ethernet со скоростью 100 Мбит/с.

· 100Base-TX -- две витые пары проводов. Передача осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в витой физической среде, разработанным ANSI (American National Standards Institute -- Американский национальный институт стандартов). Витой кабель для передачи данных может быть экранированным, либо неэкранированным. Использует алгоритм кодирования данных 4В/5В и метод физического кодирования MLT-3.

· 100Base-FX -- две жилы, волоконно-оптического кабеля. Передача также осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в волоконно-оптической среде, которой разработан ANSI. Использует алгоритм кодирования данных 4В/5В и метод физического кодирования NRZI.

Спецификации 100Base-TX и 100Base-FX известны также как 100Base-X

· 100Base-T4 -- это особая спецификация, разработанная комитетом IEEE 802.3u . Согласно этой спецификации, передача данных осуществляется по четырем витым парам телефонного кабеля, который называют кабелем UTP категории 3. Использует алгоритм кодирования данных 8В/6Т и метод физического кодирования NRZI.

Спецификация Fast Ethernet включает также механизм автосогласования, позволяющий порту узла автоматически настраиваться на скорость передачи данных -- 10 или 100 Мбит/с. Этот механизм основан на обмене рядом пакетов с портом концентратора или переключателя.

В нашей локальной сети используется первый тип среды предачи сигналов, его рассмотрим подробнее.

В качестве среды передачи 100Base-TX применяются две витые пары, причем одна пара используется для передачи данных, а вторая -- для их приема. Поскольку спецификация ANSI TP - PMD содержит описания как экранированных, так и неэкранированных витых пар, то спецификация 100Base-TX включает поддержку как неэкранированных, так и экранированных витых пар типа 1 и 7.

Интерфейс канала 100Base-TX, зависящий от среды, может быть одного из двух типов. Для кабеля на неэкранированных витых парах в качестве разъема MDI следует использовать восьмиконтактный разъем RJ 45 категории 5. Этот же разъем применяется и в сети 10Base-T, что обеспечивает обратную совместимость с существующими кабельными разводками категории 5.

2.8.5 Кабель UTP категории 5(e)

В интерфейсе среды UTP 100Base-TX применяются две пары проводов. Для минимизации перекрестных наводок и возможного искажения сигнала оставшиеся четыре провода не должны использоваться с целью передачи каких-либо сигналов. Сигналы передачи и приема для каждой пары являются поляризованными, причем один провод передает положительный (+), а второй -- отрицательный (-) сигнал. Цветовая маркировка проводов кабеля и номера контактов разъема для сети 100Base-TX приведены в табл. 1. Хотя уровень PHY 100Base-TX разрабатывался после принятия стандарта ANSI TP-PMD, однако номера контактов разъема RJ 45 были изменены для согласования со схемой разводки, уже использующейся в стандарте 10Base-T. В стандарте ANSI TP-PMD контакты 7 и 9 применяются для приема данных, в то время как в стандартах 100Base-TX и 10Base-T для этого предназначены контакты 3 и 6. Такая разводка обеспечивает возможность использования адаптеров 100Base-TX вместо адаптеров 10 Base - T и их подключения к тем же кабелям категории 5 без изменений разводки. В разъеме RJ 45 используемые пары проводов подключаются к контактам 1, 2 и 3, 6. Для правильного подключения проводов следует руководствоваться их цветовой маркировкой.

Таблица 5. Назначение контактов разъема MDI кабеля UTP 100Base-TX

Номер контакта	Название сигнала	Цвет провода
1	Передача +	Белый/оранжевый
2	Передача -	Оранжевый
3	Прием +	Белый/зеленый
4	Не используется	Синий
5	Не используется	Белый/синий
6	Прием -	Зеленый
7	Не используется
8	Не используется

2.8.6 Ограничения длины кабеля

В сетях 100Base-TX уровень сигнала не так важен по сравнению со временем распространения сигналов. Механизм CSMA/CD в сети Fast Ethernet работает так же, как в сети Ethernet 10 Мбит/с, и пакеты имеют аналогичный размер, но их скорость распространения через среду передачи в десять раз выше. Из-за того, что механизм детектирования коллизий остался тем же, системы все еще должны выявлять возникновение коллизии прежде, чем истечет время состязания (то есть прежде, чем будут переданы 512 байт данных). Таким образом, поскольку трафик распространяется быстрее, временной зазор уменьшается, и максимальная длина сети также должна быть сокращена, чтобы выявление коллизий происходило безошибочно. По этой причине предельная общая длина сети 100Base-TX примерно составляет 210 м. Это значение необходимо соблюдать намного более жестко, чем максимум в 500 м для сети 10Base-T.

Когда планируется сеть, необходимо учитывать тот факт, что требование стандарта Fast Ethernet к максимальной длине сегмента кабеля в 100 м включает в себя всю длину кабеля, соединяющего компьютер с концентратором. Если кабельная разводка внутренняя и заканчивается на стороне компьютера настенной розеткой, а на стороне концентратора -- коммутационной панелью, то в длину сегмента необходимо включить коммутационные кабели, соединяющие компьютер с розеткой и коммутационную панель с концентратором. Спецификация рекомендует брать максимальную длину для сегмента кабеля внутренней разводки, равной 90 м, оставляя 10 м для коммутационных кабелей.

Заключение

Добиться минимальных затрат на сеть можно только тщательно продумав все варианты структуры сети, включая возможности современных технологий по организации беспроводной связи или соединений через электросеть и телефонные линии. Так что при построении сети как никогда справедлив общий принцип - «Сем раз отмерь, один - отрежь», поскольку раз проложенную кабельную систему переделать весьма непросто, и тщательное планирование позволит нам избежать лишних потерь.

3 Проектирование беспроводной сети 802.11g

3.1 Что нужно учитывать при развертывании Wi-Fi сетей?

При принятии решений относительно развертывания беспроводных LAN (WLAN) неоходимо учитывать:

· особенности работы протокола 802.11g,

· поведение мобильных узлов,

· вопросы защиты,

· качество связи (QoS)

· приложения, используемые беспроводными клиентами.

Физический аспект выполнения картирования места работ дает возможность понять, какую зону покрытия имеет каждая точка доступа, каково количество точек доступа, необходимое для покрытия заданной области, и установить параметры каждого канала и излучаемую мощность.

3.1.1 Сетевой аудит

Этот процесс включает:

· Сбор чертежей здания и схем проводки, расположения электрических систем, розеток, структурных элементов (металлических перегородок, стен, дверных проемов).

· Оценка зоны распространения радиосигнала (рис. 2.16), включая выбор зон установки компонентов для обеспечения минимальной потери сигнала. Определение оптимальной схемы размещения точек доступа и антенн.

· Оценка интерференции каналов, включая тестирование для обеспечения отсутствия перекрытия радиопередач.

· Оценка электрических систем, в том числе оценка альтернатив подключения точки доступа к электросети для предотвращения деградации производительности в связи со случайными или неизбежными электрическими проблемами.

Учтите при проведении исследования следующее:

· Если в здании используются деревянные полы, то зоны действия точек доступа могут перекрываться по вертикали. Убедитесь, что выбор каналов подходит для точек доступа, соседствующих друг с другом по вертикали.

· Закройте двери всех офисов и помещений перед началом исследования, чтобы оценить уровень приема на самом низком уровне.

3.1.2 Стандарты протокола 802.11

802.11a. Данная версия является как бы "боковой ветвью" основного стандарта 802.11. Для увеличения пропускной способности канала здесь используется диапазон частот передачи 5,5 ГГц. Для передачи в 802.11a используется метод множества несущих, когда диапазон частот разбивается на подканалы с разными несущими частотами (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), по которым поток передается параллельно, разбитым на части. Использование метода квадратурной фазовой модуляции позволяет достичь пропускной способности канала 54 Мбит/сек.

802.11b. Этот стандарт является наиболее популярным на сегодняшний день и, собственно, он носит торговую марку Wi-Fi. Как и в первоначальном стандарте IEEE 802.11, для передачи в данной версии используется диапазон 2,4 ГГц. Он не затрагивает канальный уровень и вносит изменения в IEEE 802.11 только на физическом уровне. Для передачи сигнала используется метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum), при котором весь диапазон делится на 5 перекрывающих друг друга поддиапазонов, по каждому из которых передается информация. Значения каждого бита кодируются последовательностью дополнительных кодов (Complementary Code Keying). Пропускная способность канала при этом составляет 11 Мбит/сек.

802.11c.Стандарт, регламентирующий работу беспроводных мостов. Данная спецификация используется производителями беспроводных устройств при разработке точек доступа.

802.11d. Стандарт определял требования к физическим параметрам каналов (мощность излучения и диапазоны частот) и устройств беспроводных сетей с целью обеспечения их соответствия законодательным нормам различных стран.

802.11e. Создание данного стандарта связано с использованием средств мультимедиа. Он определяет механизм назначения приоритетов разным видам трафика - таким, как аудио- и видеоприложения.

802.11f. Данный стандарт, связанный с аутентификацией, определяет механизм взаимодействия точек связи между собой при перемещении клиента между сегментами сети. Другое название стандарта - Inter Access Point Protocol.

802.11g. Целью разработки данного стандарта было повышение пропускной способности канала до 54 Мбит/сек при условии совместимости с начальными версиями (использование диапазона 2,4 ГГц). Можно считать, что стандарт g явился симбиозом стандартов a и b. Для совместимости в данном методе обязательным является как кодирование с помощью Complementary Code Keying, так и мультиплексирование частот с помощью Orthogonal Frequency Division Multiplexing. Прямая и обратная совместимость предусматривает возможность работы устройств стандарта 802.11g в сетях 802.11b и наоборот.

802.11h. Разработка данного стандарта связана с проблемами при использовании 802.11а в Европе, где в диапазоне 5 ГГц работают некоторые системы спутниковой связи. Для предотвращения взаимных помех стандарт 802.11h имеет механизм "квазиинтеллектуального" управления мощностью излучения и выбором несущей частоты передачи.

802.11i. Целью создания данной спецификации является повышение уровня безопасности беспроводных сетей. В ней реализован набор защитных функций при обмене информацией через беспроводные сети - в частности, технология AES (Advanced Encryption Standard) - алгоритм шифрования, поддерживающий ключи длиной 128, 192 и 256 бит. Предусматривается совместимость всех используемых в данное время устройств - в частности, Intel Centrino - с 802.11i-сетями.

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

802.11n. Перспективный стандарт, находящийся на сегодняшний день в разработке, который позволит поднять пропускную способность сетей до 100 Мбит/сек.

802.11r. Данный стандарт предусматривает создание универсальной и совместимой системы роуминга для возможности перехода пользователя из зоны действия одной сети в зону действия другой.

Подводя итог сказанному, можно заметить, что разработки спецификаций стандарта 802.11 значительно приблизили беспроводные сети по параметрам к обычным, проводным сетям. Дальнейшее развитие беспроводных технологий связано еще и с принципиально новыми стандартами - такими, как 802.15 и 802.16, - которые описывают устройства персональных беспроводных сетей и беспроводных сетей масштаба города.

3.2 Физический уровень протокола 802.11g

Стандарт IEEE 802.11g является логическим развитием стандарта 802.11b/b+ и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне, но с более высокими скоростями. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с.

При разработке стандарта 802.11g рассматривались несколько конкурирующих технологий: метод ортогонального частотного разделения OFDM, предложенный к рассмотрению компанией Intersil, и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC, опционально реализованный в стандарте 802.11b и предложенный компанией Texas Instruments. В результате стандарт 802.11g основан на компромиссном решении: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC.

3.2.1 Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием

Распространение сигналов в открытой среде, коей является радиоэфир, сопровождается возникновением всякого рода помех, источником которых служат сами распространяемые сигналы. Классический пример такого рода помех -- эффект многолучевой интерференции сигналов, заключающийся в том, что в результате многократных отражений сигала от естественных преград один и тот же сигнал может попадать в приемник различными путями. Но подобные пути распространения имеют и разные длины, а потому для различных путей распространения ослабление сигнала будет неодинаковым. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов, имеющих различные амплитуды и смещенных друг относительно друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами.

Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах. Дело в том, что при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определенные частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, -- противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте.

Говоря о многолучевой интерференции, возникающей при передаче сигналов, различают два крайних случая. В первом случае максимальная задержка между различными сигналами не превосходит времени длительности одного символа и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором случае максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).

Наиболее отрицательно на искажение сигнала влияет межсимвольная интерференция. Поскольку символ -- это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, то для различных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, поэтому восстановить исходный сигнал крайне сложно.

Чтобы избежать, а точнее, частично компенсировать эффект многолучевого распространения, используются частотные эквалайзеры, однако по мере роста скорости передачи данных либо за счет увеличения символьной скорости, либо из-за усложнения схемы кодирования, эффективность использования эквалайзеров падает.

В стандарте 802.11b с максимальной скоростью передачи 11 Мбит/с при использовании CCK-кодов схемы компенсации межсимвольной интерференции вполне успешно справляются с возложенной на них задачей, но при более высоких скоростях такой подход становится неприемлемым.

Поэтому при более высоких скоростях передачи применяется принципиально иной метод кодирования данных - ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Идея данного метода заключается в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, а скорость передачи в отдельном подканале может быть и невысокой.

Поскольку в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, это создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой -- достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу.

Важно, что хотя сами частотные подканалы могут частично перекрывать друг друга, ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а, следовательно, и отсутствие межканальной интерференции (рис. 2.11).

Рис. 2.11 Пример перекрывающихся частотных каналов с ортогональными несущими.

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (OFDM). Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Если говорить точнее, то сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является охранный интервал (Guard Interval, GI) -- циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа (рис. 2.12).

Рис. 2.12 Охранный интервал GI.

Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике.

Наличие охранного интервала создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает (рис. 2.13).

Рис. 2.13 Избежание межсимвольной интерференции за счет использования охранных интервалов.

При использовании технологии OFDM длительность охранного интервала составляет одну четвертую длительности самого символа. При этом сам символ имеет длительность 3,2 мкс, а охранный интервал -- 0,8 мкс. Таким образом, длительность символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс.

3.2.2 Скоростные режимы и методы кодирования в протоколе 802.11g

В протоколе 802.11g предусмотрена передача на скоростях 1, 2, 5,5, 6, 9, 11, 12, 18, 22, 24, 33, 36, 48 и 54 Мбит/с. Некоторые из данных скоростей являются обязательными, а некоторые - опциональными. Кроме того, одна и та же скорость может реализовываться при различной технологии кодирования. Ну и как уже отмечалось, протокол 802.11g включает в себя как подмножество протоколы 802.11b/b+.

Технология кодирования PBCC опционально может использоваться на скоростях 5,5; 11; 22 и 33 Мбит/с. Вообще же в самом стандарте обязательными являются скорости передачи 1; 2; 5,5; 6; 11; 12 и 24 Мбит/с, а более высокие скорости передачи (33, 36, 48 и 54 Мбит/с) -- опциональными.

Отметим, что для обязательных скоростей в стандарте 802.11g используется только кодирование CCK и OFDM, а гибридное кодирование и кодирование PBCC является опциональным. Соотношение между различными скоростями передачи и используемыми методами кодирования отображено в табл. 3.

Говоря о технологии частотного ортогонального разделения каналов OFDM, применяемой на различных скоростях в протоколе 802.11g, мы до сих пор не касались вопроса о методе модуляции несущего сигнала.

Напомним, что в протоколе 802.11b для модуляции использовалась либо двоичная (BDPSK), либо квадратурная (QDPSK) относительная фазовая модуляция. В протоколе 802.11g на низких скоростях передачи также используется фазовая модуляция (только не относительная), то есть двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При использовании BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит, а при использовании QPSK-модуляции -- два информационных бита. Модуляция BPSK используется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK -- на скоростях 12 и 18 Мбит/с.

Для передачи на более высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation), при которой информация кодируется за счет изменения фазы и амплитуды сигнала. В протоколе 802.11g используется модуляция 16-QAM и 64-QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе. Во втором случае имеется уже 64 возможных состояний сигнала, что позволяет закодировать последовательность 6 бит в одном символе. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM -- на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

Естественно, возникает вопрос: почему при одном и том же типе модуляции возможны различные скорости передачи (табл. 2)? Рассмотрим, к примеру, модуляцию BPSK, при которой скорость передачи данных составляет 6 или 9 Мбит/с. Дело в том, что при использовании технологии OFDM используется сверточное кодирование с различными пунктурными кодерами, что приводит к различной скорости сверточного кодирования. В результате при использовании одного и того же типа модуляции могут получаться разные значения информационной скорости -- все зависит от скорости сверточного кодирования. Так, при использовании BPSK-модуляции со скоростью сверточного кодирования 1/2 получаем информационную скорость 6 Мбит/с, а при использовании сверточного кодирования со скоростью 3/4 -- 9 Мбит/с.

Таблица 5. Соотношение между скоростями передачи и типом кодирования в стандарте 802.11g

Скорость передачи, Мбит/с	Метод кодирования	Модуляция
1	(обязательно)	Код Баркера	DBPSK
2	(обязательно)	Код Баркера	DQPSK
5,5	(обязательно)	CCK	DQPSK
	(опционально)	PBCC	DBPSK
6	(обязательно)	OFDM	BPSK
	(опционально)	CCK-OFDM	BPSK
9	(опционально)	OFDM, CCK-OFDM	BPSK
11	(обязательно)	CCK	DQPSK
	(опционально)	PBCC	DQPSK
12	(обязательно)	OFDM	QPSK
	(опционально)	CCK-OFDM	QPSK
18	(опционально)	OFDM, CCK-OFDM	QPSK
22	(опционально)	PBCC	DQPSK
24	(обязательно)	OFDM	16-QAM
	(опционально)	CCK-OFDM
33	(опционально)	PBCC
36	(опционально)	OFDM, CCK-OFDM	16-QAM
48	(опционально)	OFDM, CCK-OFDM	64-QAM
54	(опционально)	OFDM, CCK-OFDM	64-QAM

Единственное, о чем мы пока не упоминали, -- это техника гибридного кодирования. Для того чтобы понять сущность этого термина, вспомним, что любой передаваемый пакет данных содержит заголовок/преамбулу со служебный информацией и поле данных. Когда речь идет о пакете в формате CCK, имеется в виду, что заголовок и данные кадра передаются в формате CCK. Аналогично при использовании технологии OFDM заголовок кадра и данные передаются посредством OFDM-кодирования. При применении технологии CCK-OFDM заголовок кадра кодируется с помощью CCK-кодов, но сами данные кадра передаются посредством многочастотного OFDM-кодирования. Таким образом, технология CCK-OFDM является своеобразным гибридом CCK и OFDM. Технология CCK-OFDM -- не единственная гибридная технология: при использовании пакетного кодирования PBCC заголовок кадра передается с помощью CCK-кодов и только данные кадра кодируются посредством PBCC.

3.2.3 Максимальная скорость передачи данных в протоколах 802.11b/g

Как было показано, максимальная скорость, определяемая протоколом 802.11b, составляет 11 Мбит/с, а для протокола 802.11g -- 54 Мбит/с.

Однако следует четко различать полную скорость передачи и полезную скорость передачи. Дело в том, что технология доступа к среде передачи данных, структура передаваемых кадров, заголовки, прибавляемые к передаваемым кадрам на различных уровнях модели OSI, -- все это предполагает наличие достаточно большого объема служебной информации. Вспомним хотя бы наличие охранных интервалов при использовании OFDM-технологии. В результате полезная или реальная скорость передачи, то есть скорость передачи пользовательских данных, всегда оказывается ниже полной скорости передачи.

Более того, реальная скорость передачи зависит и от структуры беспроводной сети. Так, если все клиенты сети используют один и тот же протокол, например 802.11g, то сеть является гомогенной и скорость передачи данных в такой сети выше, чем в смешанной сети, где имеются клиенты как 802.11g, так и 802.11b. Дело в том, что клиенты 802.11b «не слышат» клиентов 802.11g, которые используют OFDM-кодирование. Поэтому с целью обеспечения совместного доступа к среде передачи данных клиентов, использующих различные типы модуляции, в подобных смешанных сетях точки доступа должны отрабатывать определенный механизм защиты. В результате использования механизмов защиты в смешанных сетях реальная скорость передачи становится еще меньше.

Кроме того, реальная скорость передачи данных зависит и от используемого протокола (TCP или UDP) и от размера длины пакета. Естественно, что протокол UDP предусматривает более высокие скорости передачи.

3.3 Поведение мобильных узлов

3.3.1 Классификация беспроводного сетевого оборудования

Беспроводное сетевое оборудование предназначено для передачи по радиоканалам информации (данных, телефонии, видео и др) между компьютерами, сетевыми и другими специализированными устройствами.

С начала 1990-х годов стали активно применяться устройства с кодовой (цифровой) модуляцией радиосигнала. Кодовая модуляция радиосигнала приводит к расширению его спектра и снижению его амплитуды до уровня шумов. Поэтому такие устройства получили название широкополосных шумоподобных систем (ШПС). Технология широкополосной беспроводной связи гарантирует высокое качество и надежность коммуникаций, устойчивость к индустриальным помехам и погодным условиям. Высокая эффективность применения таких систем привела к революционным изменениям в радиосвязи и возможности построения эффективных и надежных беспроводных сетей самого различного назначения.

На рис.2.14 представлена классификация оборудования ШПС и беспроводных сетей, которые строятся на его основе.

Рис. 2.14 Классификация беспроводного оборудования

Современное состояние беспроводной связи определяется ситуацией со стандартом IEEE 802.11. Разработкой и совершенствованием стандарта занимается рабочая группа по беспроводным локальным сетям (Working Group for Wireless Local Area Networks) комитета по стандартизации Института Инженеров Электротехники и Электроники (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE) под председательством Вика Хэйса (Vic Hayes) из компании Lucent Technologies. В группе около ста членов с решающим и около пятидесяти с совещательным голосом; они представляют практически всех изготовителей оборудования, а также исследовательские центры и университеты. Четыре раза в год группа собирается на пленарные заседания и принимает решения по совершенствованию стандарта.

Есть несколько типов беспроводных стандартов: 802.11a, 802.11b и 802.11g. В соответствии с этими стандартами существуют и различные типы оборудования. Стандарты беспроводных сетей семейства 802.11 отличаются друг от друга прежде всего максимально возможной скоростью передачи. Так, стандарт 802.11b подразумевает максимальную скорость передачи до 11 Мбит/с, а стандарты 802.11a и 802.11g - максимальную скорость передачи до 54 Мбит/с. Кроме того, в стандартах 802.11b и 802.11g предусмотрено использование одного и того же частотного диапазона - от 2,4 до 2,4835 ГГц, а стандарт 802.11a подразумевает применение частотного диапазона от 5,15 до 5,35 ГГц.

Оборудование стандарта 802.11a, в силу используемого им частотного диапазона, не сертифицировано в России.

Следует учесть, что стандарт 802.11g полностью совместим со стандартом 802.11b, то есть стандарт 802.11b является подмножеством стандарта 802.11g, поэтому в беспроводных сетях, основанных на оборудовании стандарта 802.11g, могут также работать клиенты, оснащённые беспроводным адаптером стандарта 802.11b. Верно и обратное - в беспроводных сетях, основанных на оборудовании стандарта 802.11b, могут работать клиенты, оснащённые беспроводным адаптером стандарта 802.11b. Впрочем, в таких смешанных сетях скрыт один подводный камень: если мы имеем дело со смешанной сетью, то есть с сетью, в которой имеются клиенты как с беспроводными адаптерами 802.11b, так и с беспроводными адаптерами 802.11g, то все клиенты сети будут работать по протоколу 802.11b. Более того, если все клиенты сети используют один и тот же протокол, например 802.11b, то данная сеть является гомогенной, и скорость передачи данных в ней выше, чем в смешанной сети, где имеются клиенты как 802.11g, так и 802.11b. Дело в том, что клиенты 802.11b «не слышат» клиентов 802.11g. Поэтому для того, чтобы обеспечить совместный доступ к среде передачи данных клиентов, использующих различные протоколы, в подобных смешанных сетях точки доступа должны отрабатывать определённый механизм защиты. Не вдаваясь в подробности реализации данных механизмов, отметим лишь, что в результате применения механизмов защиты в смешанных сетях реальная скорость передачи становится ещё меньше.

Поэтому при выборе оборудования для беспроводной сети стоит остановиться на оборудовании одного стандарта. Протокол 802.11b сегодня является уже устаревшим, да и реальная скорость передачи данных при использовании данного стандарта может оказаться неприемлемо низкой. Так что оптимальный выбор - оборудование стандарта 802.11g.

3.3.2 Выбор оборудования для беспроводной сети

Из всего сказанного выше следует, что при выборе конкретной модели беспроводного устройства в первую очередь стоит обратить внимание не на производителя, а на функциональные возможности устройства. Если речь идёт о простейшей точке доступа, то под функциональностью понимают поддержку ей тех или иных протоколов связи и их комбинации. Кроме того, немаловажными факторами являются поддерживаемые протоколы шифрования и аутентификации пользователей, а также возможность использования точки доступа в режиме моста для построения распределённой беспроводной сети со множеством точек доступа.

Основным элементом любой беспроводной сети является точка доступа. Последняя может представлять собой как отдельное устройство, так и быть интегрированной в беспроводной маршрутизатор.

Как мы уже отмечали, основным недостатком беспроводной сети, построенной на основе одной точки доступа, является её ограниченный радиус действия и ярко выраженная зависимость скорости соединения от наличия преград и расстояния между точкой доступа и беспроводным клиентом сети. Если речь идёт о создании беспроводной сети в пределах одного этажа, то одной точки доступа будет вполне достаточно. Нам же требуется реализовать задачу создания беспроводной сети в офисе, состоящей из двух этажей, разделённых бетонными стенами с арматурой, то одной точки доступа может оказаться вполне достаточно.

Итак, в нашей ситуации, когда в офисе имеется 153 стационарных компьютера и 54 ноутбуков, оснащённых беспроводными адаптерами, а также одна точка доступа (AP), подключённая к стационарному компьютеру. Требуется развернуть беспроводную сеть на основе одной точки доступа с тем, что бы получить доступ к ресурсам LAN.

Итак, после того, как архитектура распределённой беспроводной сети определена, рассмотрим пример её практической реализации. Однако, прежде чем переходить к рассмотрению конкретных настроек точки доступа, необходимо определиться с тем, какая именно точка доступа нужна, с тем, чтобы на ее основе можно было создавать беспроводную сеть.

Точка доступа 108 Мбит/с 802.11g MIMO Wireless позволяет эксплуатировать устройства беспроводной связи без ограничений в их месторасположении, уменьшив при этом помехи и случаи нарушения в работе системы. Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output), о которой сегодня говорят практически все издания, предполагает использование нескольких антенн для передачи и приёма данных. Несколько антенн позволяют параллельно передавать множество сигналов, что, в свою очередь, позволяет увеличить суммарную пропускную способность. Кроме того, такая реализация позволяет повысить стабильность канала и устойчивость к помехам. Что касается передачи сигнала, то она происходит по нескольким различным частотам, т.е. поток разделяется до передачи и соединяется после приёма.



Рис. 2.15 Схема работы устройства и использованием параллельных антенн.

Вторая технология, которая лишь недавно стала появляться в практических образцах беспроводного сетевого оборудования - WPA2. Со времени принятия стандарта 802.11, в 1999 году, когда всё, что предлагалось для защиты данных - это Wired Equivalent Privacy (WEP - безопасность, эквивалентная проводной сети). К сожалению, схема шифрования оказалась слабой и ненадёжной. Если первое время существования WEP его взлом занимал достаточно много усилий, то позже появились специализированные утилиты. Следующим шагом стало появление стандарта WPA (Wi-Fi Protected Access), который использовал более стойкую защиту, но, тем не менее, не обеспечивал достаточной безопасности данных. Следующим этапом стало появление WPA2, в котором, как уверяют разработчики, все слабые места устранены.

Таблица 6 (Характеристика точки доступа TEW-610APB)

Частота	2.412 - 2.484 ГГц
Мощность передатчика (802.11b)	18dBm
Мощность передатчика (802.11g)	16dBm
Скорость передачи данныхSuper G:	108 Мбит/сек;
802.11g:	54, 48, 36, 24, 18, 12, 9, 6 Мбит/сек;
802.11b:	11, 5.5, 2, 1 Мбит/сек
Чувствительность приемника (802.11b)10 - 5 BER @	85 dBm
Чувствительность приемника (802.11g)10 - 5 BER @	75 dBm
Режимы	Access Point, WDS Bridge (до 6 устройств)
Соответствие стандартам	IEEE 802.11g, IEEE 802.11b, 802.3 (Ethernet), 802.3u (Fast Ethernet)
Модуляция 802.11b:	CCK (11 и 5.5 Мбит/сек), Barker Modulations (1, 2 Мбит/сек);
802.11g:	OFDM (6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Мбит/сек)
Радиус действия	150 метров в помещении
	400 метров на открытой местности
Управление	Веб-интерфейс
Порты	1 порт 10/100 Мбит/сек LAN с поддержкой Auto-MDIX
Безопасность	WEP-кодирование с 64- или 128-битным ключом; поддержка кодирования WPA/WPA2 и WPA-PSK/WPA2-PSK; фильтрация по MAC-адресу
Антенна	2 внешние несъемные дипольные антенны 4dBi, 2 внутренние антенны
Усиление антенны	4 dBi
Поддержка ОС	Windows 95, Windows 98, Windows NT, Windows 2000, Windows XP, Windows 2003 Server; Linux; Mac.

На всех компьютерах, входящих в беспроводную сеть, используется операционная система Windows XP Professional SP3 (русская версия).

3.4 Ресурс точки доступа

Количество пользователей, одновременно работающих с точкой доступа, зависит в основном от объема трафика данных (большие или маленькие загружаемые файлы). Пропускная способность распределяется между пользователями беспроводной сети, как и в проводных сетях. Производительность сети измеряется по количеству одновременно работающих пользователей сети. Например, пропускная способность точки доступа 802.11g составляет до 54 Мбит/с.

Эта пропускная способность достаточна для:

· до 200 пользователей, иногда проверяющих электронную почту (в текстовом формате) и практически не использующих Интернет.

· до 100 активных пользователей, часто использующих электронную почту и работающих с файлами среднего размера.

· От 40 до 80 очень активных пользователей, постоянную использующих сеть и работающих с большими файлами.



Рис. 2.16 Зона покрытия точки доступа TEW-610APB

В нашем случае одной точки доступа оказалось достаточно, чтобы обеспечить приемлимую скорость доступа для пользователей и достаточная зона покрытия (рис. 2.16). В дальнейшем для повышения производительности можно добавить еще точки доступа, дающие пользователям более высокую скорость для входа в сеть. Оптимизация сетей достигается благодаря настройке различных каналов для точек доступа.

3.5 Технология коллективного доступа в беспроводных сетях семейства 802.11g

Такие вопросы, как регулирование совместного использования среды передачи данных, определяются на более высоком уровне - уровне доступа к среде передачи данных. Этот уровень называют МАС-уровнем (Media Access Control). Именно на MAC-уровне устанавливаются правила совместного использования среды передачи данных одновременно несколькими узлами беспроводной сети.

На МАС-уровне определяются два основных типа архитектуры беспроводных сетей -- Ad Нос и Infrastructure Mode.

3.5.1 Режим Ad Hoc

В режиме Ad Hoc, который называют также Independent Basic Service Set (IBSS) или режимом Peer to Peer (точка-точка), станции непосредственно взаимодействуют друг с другом. Для этого режима нужен минимум оборудования: каждая станция должна быть оснащена беспроводным адаптером. При такой конфигурации не требуется создания сетевой инфраструктуры. Основными недостатками режима Ad Hoc являются ограниченный диапазон действия возможной сети и невозможность подключения к внешней сети (например, к Интернету).

3.5.2 Режим Infrastructure Mode

В режиме Infrastructure Mode (рис. 2.17) станции взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через точку доступа (Access Point), которая выполняет в беспроводной сети роль своеобразного концентратора (аналогично тому, как это происходит в традиционных кабельных сетях). Рассматривают два режима взаимодействия с точками доступа -- BSS (Basic Service Set) и ESS (Extended Service Set). В режиме BSS все станции связываются между собой только через точку доступа, которая может выполнять также роль моста к внешней сети. В расширенном режиме ESS существует инфраструктура нескольких сетей BSS, причем сами точки доступа взаимодействуют друг с другом, что позволяет передавать трафик от одной BSS к другой. Между собой точки доступа соединяются с помощью либо сегментов кабельной сети, либо радиомостов.

Рис. 2.17. Режим функционирования Infrastructure Mode.

Кроме двух различных режимов функционирования беспроводных сетей на MAC-уровне определяются правила коллективного доступа к среде передачи данных.

Метод коллективного доступа с обнаружением несущей и избежанием коллизий (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance, CSMA/CA). Собственно, этот метод даже по своему названию напоминает технологию коллективного доступа, реализованную в сетях Ethernet, где используется метод коллективного доступа с опознанием несущей и обнаружением коллизий (Сarrier-Sense-Multiply-Access With Collision Detection, CSMA/CD). Единственное различие состоит во второй части метода - вместо обнаружения коллизий используется технология избежания коллизий.

Перед тем как послать данные в "эфир", станция сначала отправляет специальное сообщение, называемое RTS (Ready To Send), которое трактуется как готовность данного узла к отправке данных. Такое RTS-сообщение содержит информацию о продолжительности предстоящей передачи и об адресате и доступно всем узлам в сети. Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приёмная станция, получив сигнал RTS, отвечает посылкой сигнала CTS (Clear To Send), свидетельствующего о готовности станции к приёму информации. После этого передающая станция посылает пакет данных, а приёмная станция должна передать кадр ACK, подтверждающий безошибочный прием. Если АСК не получен, попытка передачи пакета данных будет повторена. Таким образом, с использованием подобного четырёхэтапного протокола передачи данных (4-Way Handshake) реализуется регламентирование коллективного доступа с минимизацией вероятности возникновения коллизий.