Беспроводные локальные сети стандартов IEEE 802.11 a/b/g

В. Г. Жуков

БЕСПРОВОДНЫЕ 
ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ 
СТАНДАРТОВ 
IEEE 802.11 a/b/g

Красноярск 2010

Федеральное аген тство по образованию 
Сибирский государственный аэрокосмический университет 
имени академика М. Ф. Решетнева

В. Г. Жуков

БЕСПРОВОДНЫЕ 
ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ 
СТАНДАРТОВ 
IEEE 802.11 a/b/g

Утверж дено редакционно-издательским советом 
университ ет а в качестве учебного пособия

Красноярск 2010

УДК 004.732:004.056 (075.8) 
ББК 32.973.2-018.2я7 
Ж86

Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент П. М. ГОФМАН 
(Сибирский государственный технологический университет);
кандидат технических наук, доцент В. X. ХАНОВ 
(Сибирский государственный аэрокосмический университет 
имени академика М. Ф. Решетнева); 
региональный менеджер по Красноярскому краю П. Л. П а в л е н к о  
(ООО D-Link Russia)

Жуков, В. Г.
Ж86 
Беспроводные локальные сети стандартов IEEE 802.1 la/b/g :
учеб. пособие / В. Г. Жуков ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. - Красноярск, 2010. -  128 с.

Пособие посвящено беспроводным технологиям передачи данных, соответствующим стандартам серии IEEE 802.11. В нем приведены основные сведения о беспроводных локальных сетях, их компонентах и технологиях. Особое 
внимание уделено вопросам безопасности беспроводных сетей, описаны механизмы аутентификации и шифрования.
Предназначено для студентов старших курсов, обучающихся по специальностям 090105 «Комплексное обеспечение информационной безопасности 
автоматизированных систем» и 090106 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем». Также будет полезно аспирантам, преподавателям, 
слушателям курсов повышения квалификации, специалистам-практикам, интересующимся проблемами проектирования, развертывания и обеспечения безопасности беспроводных локальных сетей.

УДК 004.732:004.056 (075.8) 
ББК 32.973.2-018.2я7

© Сибирский государственный аэрокосмический 
университет имени академика М. Ф. Решетнева, 2010 
© Жуков В. 1'., 2010

О г л а в л е н и е

Предисловие............................................................................................................ 
6

Глава 1. Обзор беспроводных технологий передами данных ...............  
8
1.1. Классификации беспроводных технологий........................................ 
8
1.2. Семейство стандартов ШЕЕ 802.11 * .................................................... 
9
1.3. Стек протоколов IEEE 802.11 ................................................................. 13
1.4. Топологии беспроводных сетс ............................................................... 14
1.5. Нестандартные режимы работы устройств ........................................ 16
1.6. Роуминг......................................................................................................... 24
1.7. Преимущества и недостатки беспроводных сетей...........................  27
Контрольные вопросы и задания .................................................................. 29

Глава 2. Механизмы доступа к среде стандарта 802.11 ..........................  30
2.1. Контроль несущей частоты и распределенная
функция координации ............................................................................. 31
2.2. Фрейм подтверждения ............................................................................. 34
2.3. Резервирование среды с помощью механизма RTS/CTS ...............  37
2.4. Точечная функция координации............................................................ 40
Контрольные вопросы и задания .................................................................. 45

Глава 3. Операции, осуществляемые на уровне
MAC стандарта 802.11 ........................................................................ 46
3.1. Возможность соединения станций ....................................................... 46
3.2. Работа в режиме энергосбережения ..................................................... 49
3.3. Фреймы MAC стандарта 802.11 ............................................................. 51
Контрольные вопросы и задания .................................................................. 56

Глава 4. Технологии физического уровня
стандартов 802.11 a/b/g .......................................................................  57
4.1. Стандарт IEEE 802.1 l b ............................................................................. 57
4.2. Стандарт IEEE 802.1 l a ............................................................................. 64
4.2.1. Формирование OFDM-символов..................................................... 64
4.2.2. Структура PDU физического уровня .............................................  69
4.3. Стандарт ШЕЕ 802.11 g ............................................................................. 73
Контрольные вопросы и задания .................................................................. 79

Глава 5. Фундамент безопасной сети .............................................................  80
5.1. Политика безопасности............................................................................ 81
5.2. Базовые механизмы защиты................................................................... 84
5.2.1. Контроль границы сети .....................................................................  84
5.2.2. Списки контроля доступа.................................................................. 85

3

5.2.3. Отключение широковещательной рассылки 
идентификатора сети .........................................................................  88
5.2.4. Изменение стандартных настроек..................................................  89
5.2.5. Защита точек доступа........................................................................ 90
5.3. Протокол WEP ........................................................................................... 91
Контрольные вопросы и задания .................................................................. 94

Глава 6. Безопасность беспроводных сетей ................................................. 95
6.1. Защита на уровне порта ..........................................................................  95
6.2. Безопасный доступ к беспроводной сети.............................................101
6.3. Гостевой доступ..........................................................................................107
6.3.1. WEB-порталы ...................................................................................... 107
6.3.2. Виртуальные частные сети ............................................................... 109
6.3.3. Технология Wireless Provisioning Services ....................................109
Контрольные вопросы и задания .................................................................. 112

Глава 7. Безопасность сетевого уровня ..........................................................113
7.1. Межсетевое экранирование беспроводной сети ............................... 113
7.1.1. Топология сети ..................................................................................... 114
7.1.2. Выбор типа межсетевого экрана ..................................................... 116
7.1.3. Политика фильтрации трафика и настройка
межсетевого экрана ........................................................................... 117
7.2. Виртуальные частные сети .................................................................... 118
Контрольные вопросы и задания .................................................................. 120

Глава 8. Антенны ................................................................................................... 121
8.1. Характеристики антенны.........................................................................121
8.2. Распространение сигнала.........................................................................125
8.3. Передача сигнала в пределах линии прямой видимости................. 126
8.4. Отношение сигнал/шум в цифровых системах связи.......................129
8.5. Расчет зоны действия сигнала................................................................ 131
8.5.1. Расчет дальности работы беспроводного канала связи .............131
8.5.2. Расчет потерь при распространении радиоволн..........................134
8.5.3. Расчет зоны Френеля .......................................................................... 135
8.5.4. Расчет эффективной изотропно-излучаемой
мощности ............................................................................................... 136
8.5.5. Расчет энергетического запаса радиоканала................................ 137
8.6. Построение антенно-фидерных трактов и радиосистем
с внешними антеннам.............................................................................. 137
8.6.1. Антенно-фидерный тракт с усилителем........................................138
8.6.2. Простой антенно-фидерный тракт .................................................. 142
8.6.3. Точка доступа, подключенная напрямую к антенне ..................143
Контрольные вопросы и задания ................................................................. 144

4

Гчава 9. Развертывание беспроводных локальных сетей ....................... 145
9.1. Планирование и развертывание W I.AN................................................145
9.2. Картирование места развертывания сети............................................. 150
9.2.1. Проблемы, возникающие при картировании
места работ ............................................................................................ 151
9.2.2. Проведение картирования места работ ..........................................152
Контрольные вопросы и задания ................................................................... 154

Заключение .............................................................................................................. 155

Библиографический список ..............................................................................157

Глоссарий ................................................................................................................. 160

Приложения .............................................................................................................167

П р е д и с л о в и е

При решении задач объединения компьютеров в сеть и подключения 
их к сети Интернет одним из важнейших критериев в последнее время выступает мобильность пользователей. Именно увеличение числа мобильных 
пользователей приводит к появлению острой потребности в оперативном 
создании коммуникаций между ними, обмене данными, быстром получении информации. Также необходимо учитывать тот факт, что применение 
беспроводных сетей является единственным выходом там, где развертывание кабельной системы невозможно или экономически нецелесообразно. 
Поэтому вполне понятно интенсивное развитие беспроводных локальных 
сетей (Wireless Local Area Network, WLAN), определенных семейством 
стандартов IEEE 802.11.
Хотя беспроводные сети стандарта 802.11 имеют топологию локальных сетей (Local Area Network, LAN), они ставят новые проблемы перед 
сетевыми инженерами и администраторами, такие как картирование места 
развертывания сети, качество услуг связи, безопасность.
Раздел «Беспроводные локальные сети 802.11» как неотъемлемая 
часть курсов «Компьютерные сети», «Протоколы составных компьютерных сетей», «Безопасность вычислительных сетей» является одним из элементов системы подготовки специалистов по специальностям 090105 
«Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем», 090106 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем» и соответствует Государственному образовательному 
стандарту.
В данном учебном пособии, подготовленном при участии Красноярского регионального представительства компании D-Link, рассмотрены 
научные и технические принципы построения беспроводных локальных 
сетей с учетом современных тенденций развития беспроводных технологий передачи данных и их интеграции с существующей корпоративной сетью. Пособие освещает не только основные теоретические положения, 
описанные стандартами IEEE, но и актуальные вопросы конкретного практического применения различных технологий, которые используются при 
построении современных беспроводных сетей.
Пособие написано в соответствии с рабочими программами указанных курсов и состоит из девяти глав. Первая глава посвящена беспроводным технологиям передачи данных по стандартам IEEE 802.11*. Во второй 
главе представлено описание принципов работы механизма доступа к среде стандарта 802.11. Третья глава рассматривает операции, осуществляемые на уровне MAC стандарта 802.11. В четвертой главе описаны технологии физического уровня стандартов IEEE 802.11 a/b/g и представлено де6

тальное описание структуры и принципов формирования кадров физического уровня сети 802.11. Пятая, шестая и седьмая главы посвящены вопросам обеспечения безопасности беспроводных сетей как в целом, так и 
на канальном и сетевом уровнях. В восьмой главе приведены принципы 
построения антенно-фидерных трактов и радиосистем с внешними антеннами. В девятой главе рассмотрены вопросы планирования и развертывания беспроводных сетей. В конце каждой главы приведены контрольные 
вопросы и задания, ответив на которые, студенты смогут закрепить полученные знания.
Для более подробного и полного ознакомления с изучаемым предметом автор советует обратиться к рекомендательному библиографическому 
списку, глоссарию и приложениям, в которых представлена информация об 
антеннах D-Link (прил. 1) и правилах и порядке использования беспроводных устройств в диапазонах 2,4 и 5 ГТц в Российской Федерации (прил. 2).
Учебное пособие предназначено для студентов старших курсов, обучающихся по специальностям 090105 «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем» и 090106 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем». Оно также будет полезно аспирантам, преподавателям, слушателям курсов повышения 
квалификации, специалистам-практикам, интересующимся проблемами 
проектирования, развертывания и обеспечения безопасности беспроводных локальных сетей.
Материал, изложенный в пособии, многократно проверен, но поскольку вероятность наличия ошибок все равно существует, автор просит 
направлять 
свои 
отзывы 
и 
предложения 
на 
электронный 
адрес: 
zhukov@sibsau.ru.

Глава 1
ОБЗОР БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 
ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

В настоящее время разрабатывается и используется множество различных беспроводных технологий, которые подразделяются на несколько 
категорий, в зависимости от размеров физической зоны, связь в которой 
они способны обеспечить. Одной из технологий беспроводной передачи 
данных, получившей широкое распространение в последнее время, является технология беспроводных локальных сетей 802.11 как альтернатива локальным сетям с разделяемой средой Ethernet.
Ниже мы рассмотрим беспроводные технологии передачи данных но 
стандартам IEEE 802.11*, проведем обзор семейства этих стандартов, регламентирующих работу беспроводных локальных сетей, и стека протоколов IEEE 802.11, а также представим и разъясним топологии беспроводных 
сетей, нестандартные режимы работы устройств и принципы роуминга в 
беспроводных сетях.

1.1. К л а с с и ф и к а ц и и  б е с п р о в о д н ы х  т е х н о л о г и й

Большое количество разнообразных беспроводных технологий, существующее в современном мире, требует введения их классификации. 
Один из способов классификации беспроводных сетей основан на радиусе действия сети, при этом выделяются четыре основных типа этих сетей 
(рис. 1.1):
-  WWAN (Wireless Wide Area Network), используемые в сотовой 
связи (GSM, CDMA, TDMA, iDEN, PDC и др.). Они характеризуются 
большим радиусом действия (до 40 км);
-  WMAN (Wireless Metropolitan Area Network), в основном применяемые операторами связи для создания инфраструктуры доступа конечных пользователей -  так называемой последней мили. Радиус их действия 
-  средний (несколько километров);
-  WLAN (Wireless Local Area Network), используемые для обслуживания небольших территорий. Они имеют средний радиус охвата (около 
100 м);
-  WPAN (Wireless Personal Area Network), передающие информацию от сотовых телефонов, переносных компьютеров и других бытовых 
приборов. Радиус действия -  около 10 м. К этому типу можно отнести, например, технологию LSIuetooth.
Беспроводные технологии могут применяться для решения различных задач, но в качестве основных можно выделить следующие способы 
их использования [4; 5; 6; 8; 18; 19; 31J:

-  организация уровня доступа к корпоративной сети (Access Layer) 
и последней мили провайдеров сетевых услуг;
удлинение сетевого сегмента;
-  организация гостевого доступа и взаимодействия мобильных клиентов;
организация связи беспроводных мостов между зданиями;
-  быстрое развертывание временных локальных сетей; 
обмен данными между мобильными устройствами.

Рис. 1.1. Типы беспроводных 
сетей

Сети каждого типа имеют свои особенности реализации канального 
и физического уровней, что позволяет им эффективно выполнять возложенные на них задачи. Большая часть информации в данном учебном пособии относится к беспроводным локальным сетям на основе стандартов 
семейства 802.11.

1.2. С е м е й с т в о  с т а н д а р т о в  IEEE 802.11 *

Семейство стандартов 802.11 включает четыре стандарта: 802.11а,
802.1 lb, 802.1 lg, 802.1 lh, используемых для организации передачи данных, 
и ряд документов, описывающих дополнительные функции. В настоящее 
время на стадии согласования находится пятый стандарт -  IEEE 802.1 In, 
направленный на увеличение пропускной способности радиосети. Семейство стандартов 802.11 часто обозначают как 802.11* (не путать со стандартом IF.EE 802.1 х) для того, чтобы не смешивать его с базовым, теперь 
не используемым стандартом передачи 802.11. В ближайшем будущем дилеры латинского алфавита будут исчерпаны, что, видимо, приведет к появлению нового семейства беспроводных стандартов.
Текущее распределение рабочих групп стандарта 802.11 приведено в 
табл. 1.1.

9