Технология современных беспроводных сетей Wi-Fi

Компьютерные системы и сети

Выпуск 2

Компьютерные системы и сети

Серия основана в 2013 году

Ответственный редактор А.В. Пролетарский

РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ:

А.А. Александров (председатель), д-р техн. наук
В.А. Матвеев (гл. редактор), д-р техн. наук  
В.В. Девятков, д-р техн. наук
И.П. Иванов, д-р техн. наук
А.П. Карпенко, д-р техн. наук
Е.А. Микрин, академик РАН
А.В. Пролетарский, д-р техн. наук
И.В. Рудаков, канд. техн. наук
В.В. Сюзев, д-р техн. наук
В.М. Черненький, д-р техн. наук
В.А. Шахнов, член-корр. РАН

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2017

Компьютерные системы и сети

Выпуск 2

Технологии современных 
беспроводных сетей Wi-Fi

Под общей редакцией А.В. Пролетарского

Допущено Федеральным учебно-методическим объединением в системе 
высшего образования по укрупненной группе специальностей и направлений 
подготовки 09.00.00 «Информатика и вычислительная техника» в качестве 
учебного пособия для студентов (адъюнктов), обучающихся по основным 
образовательным программам высшего образования по направлениям 
подготовки бакалавриата/магистратуры укрупненной группы 
специальностей и направлений подготовки 09.00.00 «Информатика 
и вычислительная техника»

УДК 004.7
ББК 32.973.202
        Т38
А в т о р ы:
Е.В. Смирнова, А.В. Пролетарский, Е.А. Ромашкина, 
С.А. Балюк, А.М. Суровов

Р е ц е н з е н т ы: 
генеральный директор АО «РтСофт», д-р техн. наук О.В. Синенко;
директор фирмы «1С», канд. экон. наук Б.Г. Нуралиев

 
 
Технологии современных беспроводных сетей Wi-Fi : учебное пособие / [Е. В. Смирнова, А. В. Пролетарский и др.] ; под общ. ред. А. В. Пролетарского. — Москва : 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. — 446, [2] с. : ил. — (Компьютерные 
системы и сети).

ISBN 978-5-7038-4620-9

Изложены основные сведения о современных технологиях беспроводных сетей 
Wi-Fi  и показано поэтапное проектирование беспроводных сетей — от планирования 
производительности и зоны действия до развертывания и тестирования сети. Подробно рассмотрен стандарт IEEE 802.11, включая управление доступом к среде, 
а также физический уровень 802.11. Описаны особенности радиочастотного спектра, 
принципы модуляции, приведены варианты спецификаций 802.11, технологии повышения производительности и механизмы защиты. Подробно рассмотрено подключение клиента к беспроводной сети в инфраструктурном режиме — сканирование, 
методы аутентификации и ассоциации, а также вопросы безопасности передачи 
данных в беспроводных сетях (WEP, TKIP, CCMP, WPA, WPA2, WPS). Приведены 
оценка беспроводной линии связи и пример расчета. Представленные в учебном 
пособии теоретические положения дополнены лабораторными работами по всем 
рассмотренным в книге темам. Издание содержит обширный глоссарий.
Учебное пособие подготовлено сотрудниками компании D-Link и преподавателями МГТУ имени Н.Э. Баумана. Содержание соответствует курсу лекций, который 
авторы читают в МГТУ имени Н.Э. Баумана и совместном центре «МГТУ — D-Link».
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по основным образовательным программам высшего образования по направлениям  подготовки бакалавриата/магистратуры укрупненной группы специальностей и направлений подготовки  «Информатика и вычислительная техника». 

УДК 004.7
ББК 32.973.202

ISBN 978-5-7038-4620-9                                    © Оформление. Издательство
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

Т38

Оглавление

Оглавление

Предисловие  ........................................................................................................................... 8
Обозначения, используемые в книге  ..................................................................................  11
1. Технологии беспроводных сетей  .......................................................................................  12
1.1 Что такое Wi-Fi?  .......................................................................................................  12
1.2. Основные устройства беспроводных сетей ............................................................  13
1.2.1. Клиентские устройства  ...................................................................................  13
1.2.2. Точки доступа  ..................................................................................................  15
1.2.3. Беспроводные маршрутизаторы  ....................................................................  18
1.2.4. Беспроводные повторители  ...........................................................................  20
1.2.5. Беспроводные мосты  ......................................................................................  21
1.2.6. Антенны  ..........................................................................................................  22
1.3. Преобразование единиц измерения  .......................................................................  43
2. Стандарт беспроводных локальных сетей IEEE 802.11  ...................................................  46
2.1. Архитектура IEEE 802.11  ........................................................................................  46
2.2. Услуги IEEE 802.11  ..................................................................................................  54
2.2.1. Распределение сообщений в пределах распределительной системы  ..........  55
2.2.2. Услуги, связанные с ассоциацией ..................................................................  56
2.2.3. Услуги управления доступом и обеспечения безопасности  .........................  57
2.3. Кадр MAC стандарта IEEE 802.11  ..........................................................................  59
2.4. Управление доступом к среде в стандарте IEEE 802.11  ........................................  63
2.4.1. Функция распределенной координации (DCF)  ...........................................  65
2.4.2. Функция точечной координации (PCF)  .......................................................  74
2.4.3. Понятие QoS  ...................................................................................................  76
2.4.4. Функция гибридной координации (HCF)  ....................................................  77
2.4.5. Программа сертификации Wi-Fi Multimedia (WMM)  ..................................  81
2.4.6. Фрагментация кадров в беспроводной сети  .................................................  82
3. Подключение клиента к беспроводной сети в инфраструктурном режиме  ......................  84
3.1. Сканирование  ..........................................................................................................  85
3.2. Аутентификация и ассоциация  ..............................................................................  88
3.2.1. Аутентификация 802.11  ..................................................................................  90
3.2.2. Ассоциация после аутентификации 802.11  ...................................................  94
3.3. Аутентификация RSN и безопасная ассоциация  ..................................................  95
3.3.1. Аутентификация на основе стандарта IEEE 802.1X  .....................................  95
3.3.2. Аутентификация на основе предварительно установленных ключей (PSK)  .... 101
3.4. Дополнительные методы контроля доступа к беспроводной сети  ....................  102
4. Безопасность передачи данных в беспроводных сетях  ...................................................  104
4.1. Протокол WEP  .......................................................................................................  104
4.2. Протокол TKIP  ......................................................................................................  106
4.3. Протокол CCMP  ...................................................................................................  109
4.4. Программы сертификации WPA/WPA2  ...............................................................  112
4.5. Программа сертификации Wi-Fi Protected Setup (WPS)  .....................................  115
5. Физический уровень стандарта IEEE 802.11  .................................................................  120
5.1. Особенности использования радиочастотного спектра  .....................................  122
5.2. Технологии модуляции физического уровня IEEE 802.11  ..................................  124
5.2.1. Технологии расширения спектра  .................................................................  124
5.2.2. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением  ...........  129
5.3. Спецификация IEEE 802.11a  ................................................................................  134
5.4. Спецификация IEEE 802.11b  ................................................................................  135
5.5. Спецификация IEEE 802.11g  ................................................................................  137

Основы беспроводных сетей Wi-Fi

5.6. Спецификация IEEE 802.11n  ...............................................................................  138
5.6.1. Технологии повышения производительности на физическом уровне 802.11n  .... 139
5.6.2. Совместимость со спецификациями 802.11a/b/g  .......................................  160
5.6.3. Структура физического интерфейса 802.11n  ..............................................  162
5.6.4. Технологии повышения производительности на МАС-подуровне 802.11n .......... 165
5.6.5. Механизмы защиты 802.11n при работе в сети с устройствами 802.11a/b/g  ........ 168
5.6.6. Механизмы сосуществования при использовании каналов 20/40 МГц  ....  172
5.7. Спецификация IEEE 802.11ac  ..............................................................................  174
5.7.1. Технологии физического уровня 802.11ac  ...................................................  176
5.7.2. Технологии повышения производительности на МАС-подуровне 802.11ac  ........ 188
5.7.3. Механизмы защиты и сосуществования при работе в сети
с устройствами 802.11a/n  .......................................................................................  189
5.7.4. Downlink Multi-User MIMO  .........................................................................  192
5.7.5. Выход оборудования 802.11ac на рынок  .....................................................  196
6. Оценка беспроводной линии связи  .................................................................................  197
6.1. Общие сведения  ....................................................................................................  197
6.2. Пример расчета линии связи  ................................................................................  209
7. Проектирование беспроводных сетей  .............................................................................  212
7.1. Этапы проектирования беспроводной сети  ........................................................  213
7.2. Сбор информации о клиентских устройствах  .....................................................  214
7.3. Планирование производительности и зоны охвата беспроводной сети ............  216
7.3.1. Скорость передачи данных и пропускная способность  .............................  217
7.3.2. Скорость передачи данных и дальность действия беспроводной сети  .....  223
7.3.3. Выбор частотного диапазона  .......................................................................  225
7.3.4. Настройка мощности передатчика  ..............................................................  226
7.3.5. Использование антенн  .................................................................................  227
7.3.6. Выбор радиочастотного канала  ...................................................................  228
7.4. Предпроектное обследование места развертывания беспроводной сети  ..........  235
7.4.1. Моделирование зоны покрытия беспроводной сети внутри помещения ......... 236
7.4.2. Обследование помещения  ............................................................................  243
7.5. Постпроектное обследование и тестирование сети  ............................................  245
8. Развертывание беспроводной сети  ..................................................................................  247
8.1. Проблемы при развертывании больших беспроводных сетей  ...........................  247
8.2. Архитектуры беспроводных сетей  ........................................................................  248
8.2.1. Автономная архитектура беспроводной сети  ..............................................  248
8.2.2. Централизованная архитектура беспроводной сети  ...................................  250
8.2.3. Распределенная архитектура беспроводной сети  .......................................  252
8.3. Беспроводная распределительная система (WDS)  ..............................................  253
8.3.1. Топологии WDS-сетей  ..................................................................................  255
8.3.2. Настройка WDS-соединений  .......................................................................  258
8.4. Обеспечение отказоустойчивости в беспроводных сетях  ...................................  266
8.5. Режимы работы точек доступа  .............................................................................  268
8.6. Организация электропитания точек доступа  ......................................................  270
8.7. Сегментация беспроводной сети  ..........................................................................  271
8.8. Настройка QoS  ......................................................................................................  287
8.9. Функции оптимизации производительности  ......................................................  290
8.10. Функции безопасности  .......................................................................................  293
8.10.1. Аутентификация и конфиденциальность данных  ....................................  293
8.10.2. Виртуальные частные сети (VPN)  ..............................................................  296
8.10.3. Защита от вторжений  .................................................................................  297
8.11. Роуминг  ................................................................................................................  301

Оглавление

8.12. Функции настройки и управления  .....................................................................  306
8.12.1. Технология AP Array  ...................................................................................  306
8.12.2. Технология кластеризации точек доступа  .................................................  309
8.12.3. Управление точками доступа с использованием аппаратного
беспроводного контроллера ...................................................................................  311
8.12.4. Программный контроллер D-Link Central WiFiManager  ..........................  312
Лабораторные работы по курсу «Технологии современных беспроводных сетей Wi-Fi» ...   316
Рекомендации по организации лабораторных работ  .................................................  316
Лабораторная работа № 1. Преобразование единиц измерения в беспроводных
сетях  ..............................................................................................................................  317
Лабораторная работа № 2. Создание беспроводной сети в инфраструктурном
режиме  ..........................................................................................................................  320
2.1. Установка драйвера беспроводного сетевого адаптера  .................................  321
2.2. Настройка точки доступа в режиме Access Point  ...........................................  325
2.3. Мониторинг беспроводных сетей с помощью программы inSSIDer Home .......... 332
2.4. Настройка точки доступа в режиме Wireless Client  .......................................  334
2.5. Настройка точки доступа в режиме AP Repeater  ...........................................  336
Лабораторная работа № 3. Объединение инфраструктурных BSS с единым SSID
через распределительную систему ..............................................................................   338
3.1. Изменение IP-адреса управления точек доступа AP1 и AP2  ........................  339
3.2. Настройка точки доступа AP1  ........................................................................  340
3.3. Настройка точки доступа AP2  ........................................................................  340
3.4. Проверка работоспособности схемы  ..............................................................  340
Лабораторная работа № 4. Исследование кадров МАС стандарта IEEE 802.11 ......  342
4.1. Захват трафика с помощью сетевого анализатора Microsoft Network Monitor  .... 345
4.2. Анализ кадров МАС стандарта IEEE 802.11  ..................................................  350
Лабораторная работа № 5. Изучение пассивного и активного сканирования  ........  358
Лабораторная работа № 6. Обеспечение безопасности в беспроводных сетях  .......  362
6.1. Настройка режима WPA/WPA2-Personal  ........................................................  363
6.2. Контроль доступа к беспроводной сети на основе МАС-адресов  ...............  367
Лабораторная работа № 7. Расчет беспроводной линии связи  ................................  369
7.1. Примеры расчета беспроводной линии связи  ...............................................  372
7.2. Задания для самостоятельного выполнения  ..................................................  375
Лабораторная работа № 8. Влияние скорости передачи на производительность
и дальность действия сети  ...........................................................................................  376
8.1. Оценка производительности беспроводной сети  ..........................................  377
8.2. Оценка зависимости скорости передачи от дальности действия сети .........  381
8.3. Применение антенны с высоким коэффициентом усиления  ......................  382
Лабораторная работа № 9. Настройка распределенной сети (WDS)  .......................  383
9.1. Настройка WDS-соединения типа «точка—точка»  .......................................  384
9.2. Настройка WDS-соединения типа «точка—много точек»  ............................  388
Лабораторная работа № 10. Настройка сегментации сети  .......................................  392
10.1. Настройка сегментации проводной и беспроводной сети  ..........................  393
10.2. Настройка сегментации распределенной сети  ............................................  403
Лабораторная работа № 11. Настройка функции AP Array  ......................................  408
Лабораторная работа № 12. Сегментация беспроводной сети на основе
двухдиапазонных точек доступа  ..................................................................................  415
Лабораторная работа № 13. Настройка программного контроллера CWM-100  .....  423
Литература  ..........................................................................................................................  433
Глоссарий  ............................................................................................................................  434

Предисловие

Развитие цивилизации можно проследить на примере изменения технологий работы с информацией. Если речь идет о хранении информации, то 
от наскальных рисунков до облачных хранилищ, если о скорости обработки 
информации, то от счетов до суперЭВМ, если о методах передачи информации, то от жестов до беспроводной связи.
История беспроводных технологий передачи информации началась 
в конце XIX века с передачи первого радиосигнала и появления в 1920-х 
годах первых радиоприемников с амплитудной модуляцией. В 1930-е годы 
появилось радио с частотной модуляцией и телевидение, в 1970-е годы созданы первые беспроводные телефонные системы как результат удовлетворения потребности в мобильной передаче голоса. Сначала это были аналоговые сети, а начале 1980-х был разработан стандарт GSM, ознаменовавший 
начало перехода на цифровые стандарты, обеспечивающие лучшее распределение спектра, качество сигнала и безопасность. С 1990-x годов происходит 
укрепление позиций беспроводных сетей и беспроводные технологии прочно входят в нашу жизнь. Интенсивно развиваясь, они приводят к созданию 
новых устройств и услуг, повышают качество жизни.
Обилие беспроводных технологий, таких, как CDMA (Code Division Multiple 
Access — технология с кодовым разделением каналов), GSM (Global for Mobile 
Communications — глобальная система для мобильных коммуникаций), EDGE 
(Enhanced Data Rates for GSM Evolution — увеличенная скорость передачи 
даных для GSM), 3G (третье поколение), LTE (Long-Term Evolution, 4G), 5G, 
TDMA (Time Division Multiple Access — множественный доступ с разделением 
во времени), WAP (Wireless Application Protocol — протокол беспроводных 
технологий), IEEE 802.11, GPRS (General Packet Radio Service — услуга пакетной передачи данных), Bluetooth (голубой зуб, по имени Харальда Голубого 
Зуба — предводителя викингов, жившего в Х веке — компромисс между 
экономичностью, дальностью и скоростью), ZigBee (минимальное энергопотребление), 434/868 МГц (максимальная дальность в прямой видимости), 
NFC (Near Field Communication — малый радиус действия) и т. д., говорит 
о том, что в этой области происходит революция.
Весьма перспективно развитие и беспроводных локальных сетей (WLAN), 
Bluetooth (сети средних и коротких расстояний). Беспроводные сети развертываются в аэропортах, университетах, отелях, ресторанах, на предприятиях. 
История разработки стандартов беспроводных сетей началась в 1990 году, 
когда международной некоммерческой ассоциацией IEEE (Institute of 
Electrical and Electronics Engineers — Институт инженеров электротехники 
и электроники) был образован комитет 802.11. Значительный импульс развитию 
беспроводных технологий дала «Всемирная паутина» и идея работы 
в cети при помощи беспроводных устройств. В конце 1990-х годов пользователям была предложена WAP-услуга, сначала не вызвавшая у населения большого интереса и представляющая собой основные информационные услуги — 

Предисловие

новости, погода, всевозможные расписания и т. п. Также весьма низким 
спросом пользовались вначале и Bluetooth, и WLAN в основном из-за высокой 
стоимости этих средств связи. Однако по мере снижения цен рос интерес 
населения. К середине первого десятилетия XXI века счет пользователей беспроводного интернет-сервиса пошел на десятки миллионов. С появлением 
беспроводной интернет-связи на первый план вышли вопросы обеспечения 
безопасности. Основные проблемы при использовании беспроводных 
сетей — это перехват сообщений спецслужб, коммерческих предприятий 
и частных лиц, перехват номеров кредитных карточек, кража оплаченного 
времени соединения, вмешательство в работу коммуникационных центров. 
Эти проблемы решаются путем усовершенствования стандартов связи.
Существенным для развития беспроводных технологий является и возможность их использования домашними пользователями. С ростом числа 
устройств в домашней сети все более актуальной становится проблема множества проводов, соединяющих эти устройства между собой, а это уже повод для 
перехода на беспроводные технологии. Повышение степени комфортности 
современного дома, объединение в единое целое всех его структур и объектов 
(компьютеров, телевизоров, цифровых фотокамер, домашнего развлекательного центра, систем охраны, климатических систем, кухонных устройств 
и т. д.) — основа идеи создания интеллектуального цифрового дома — также 
реализуется с помощью беспроводных устройств. 
Важную роль беспроводные технологии играют и в концепции «интернета вещей», определяющей принципы взаимодействия физических предметов между собой и с внешним окружением.
Хотя насчитывается огромное число единичных пользователей, быстрорастущим сегментом потребителей беспроводных технологий является корпоративный. Беспроводная передача данных — важное стратегическое средство, обеспечивающее рост производительности (сотрудники получают постоянный и быстрый доступ к корпоративной информации, быстрее узнают 
новости), повышающее качество обслуживания клиентов (можно мгновенно 
принимать жалобы и пожелания и оперативно реагировать на них), создающее конкурентные преимущества (повышение скорости обмена информацией и, следовательно, скорости принятия решения). Ну а в будущем нас ждет 
беспроводной цифровой мир.
В учебном пособии рассмотрены теоретические и практические вопросы, 
связанные с созданием беспроводных сетей и устройств, их реализующих. 
В основу пособия легли материалы занятий, проводимых в авторизованном 
учебном центре «МГТУ — D-Link», созданном в 2006 году для продвижения 
современных сетевых технологий. Центр объединил фундаментальное образование в области информационных технологий от МГТУ им. Н.Э. Баумана 
с практическими знаниями от компании D-Link.
В главе 1 рассматриваются технологии создания беспроводных сетей 
и устройства для их реализации.
Глава 2 посвящена подробному изучению стандарта IEEE 802.11, включая 
управление доступом к среде.

Предисловие

В главе 3 изложены вопросы подключения клиента к беспроводной сети 
в инфраструктурном режиме — сканирование, методы аутентификации 
и ассоциаций.
Глава 4 посвящена вопросам безопасности передачи данных в беспроводных сетях (WEP, TKIP, CCMP, WPA, WPA2, WPS).
В главе 5 всесторонне рассматривается физический уровень 802.11. Показаны особенности радиочастотного спектра, принципы модуляции, даны 
варианты спецификаций 802.11, описаны технологии повышения производительности, механизмы защиты.
В главе 6 проводится оценка беспроводной линии связи и приведен 
пример ее расчета.
Главы 7 и 8 включают вопросы поэтапного проектирования беспроводных 
сетей: от планирования производительности и зоны действия до развертывания и тестирования сети.
Практическая часть учебного пособия состоит из 13 лабораторных работ, 
включающих изучение и настройку основных параметров точек доступа  
и беспроводных маршрутизаторов, функций безопасности, сегментации 
беспроводной сети, средств управления и мониторинга. Отдельные лабораторные работы посвящены преобразованию единиц измерения и расчету 
беспроводной линии связи. Кроме того, две последние работы включают 
изучение и настройку сегментации беспроводной сети на основе частотных 
диапазонов и SSID/VLAN, а также настройку точек доступа с помощью 
программного контроллера Central WiFiManager. 
Издание снабжено обширным глоссарием.