Беспроводные сети Wi-Fi

Беспроводные сети Wi-Fi

С.ИНТУ ИТ

    У НАЦИОНАЛЬНЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ


Беспроводные сети Wi-Fi
2-е издание, исправленное

Пролетарский А.В.
Баскаков И.В.
Федотов Р.А.
Бобков А.В.
Чирков Д.Н.
Платонов В.А.



Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ” 2016

2

УДК 621.396.93(07)
ББК 21
Б53
Беспроводные сети Wi-Fi / Пролетарский А.В., Баскаков И.В., Чирков Д.Н., Федотов Р.А., Бобков
А.В., Платонов В.А. - M.: Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”, 2016 (Основы информационных технологий)
ISBN 978-5-94774-737-9
Курс посвящен теоретическим и прикладным вопросам построения беспроводных сетей на базе стандартов IEEE 802.11 a/b/g .
Практические примеры рассмотрены на основе оборудования D-Link.
(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2007-2016
(c) Пролетарский А.В., Баскаков И.В., Федотов Р.А., Бобков А.В., Чирков Д.Н., Платонов В.А., 20072016

3

Введение

История беспроводных технологий передачи информации началась в конце XIX века с передачей первого радиосигнала и появлением в 20-х годах ХХ века первых радиоприемников с амплитудной модуляцией. В 1930-е годы появилось радио с частотной модуляцией и телевидение. В 1970-е годы были созданы первые беспроводные телефонные системы. Сначала это были аналоговые сети, в начале 1980х появился стандарт GSM, ознаменовавший начало перехода на цифровые стандарты как обеспечивающие лучшее распределение спектра, лучшее качество сигнала и большую безопасность. С 90-x годов ХХ века происходит укрепление позиций беспроводных сетей. Беспроводные технологии прочно входят в нашу жизнь. Развиваясь с огромной скоростью, они стимулируют создание новых устройств и услуг.

Обилие новых беспроводных технологий, таких как CDMA (Code Division Multiple Access - технология с кодовым разделением каналов), GSM (Global System for Mobile Communications - глобальная система для мобильных коммуникаций), TDMA (Time Division Multiple Access - множественный доступ с разделением во времени), 802.11, WAP (Wireless Application Protocol - протокол беспроводных технологий), 3G (третье поколение), GPRS (General Packet Radio Service - услуга пакетной передачи данных), Bluetooth (“голубой зуб”, по имени Харальда Голубого Зуба - предводителя викингов, жившего в Х веке), EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution - увеличенная скорость передачи данных для GSM), i-mode, говорит о том, что в этой области грядет революция.

Весьма перспективно и развитие беспроводных локальных сетей (WLAN), Bluetooth (сети средних и коротких расстояний). Беспроводные сети развертываются в аэропортах, университетах, отелях, ресторанах, на предприятиях. Точкой отсчета в области разработки стандартов беспроводных сетей является образование всемирной организацией IEEE (Институт инженеров по электричеству и электронике) комитета 802.11 в 1990 году. Значительный импульс развитию беспроводных технологий дала Всемирная Паутина и идея работы в Сети при помощи беспроводных устройств. В конце 90-х годов пользователям была предложена WAP-услуга, сначала не вызвавшая большого интереса. Это были основные информационные услуги - новости, погода, всевозможные расписания и т. п. Также поначалу не пользовались спросом и Bluetooth, и WLAN - в основном из-за высокой стоимости этих средств связи.

Однако по мере снижения цен рос и интерес населения. К середине первого десятилетия XXI века счет пользователей беспроводного Intemet-сервиса пошел на десятки миллионов. С появлением беспроводной Internet-связи на первый план вышли вопросы обеспечения безопасности. Основные угрозы 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 по мере совершенствования стандартов связи.

Существенной для развития беспроводных технологий является и возможность их применения домашними пользователями. Чем больше устройств в домашней сети, тем


4

сильнее загромождают дом соединяющие их провода. А это уже повод для перехода на беспроводные технологии. Повышение степени комфортности современного дома, объединение в одно целое всех его структур и объектов (компьютера, телевизора, цифровой фотокамеры, домашнего развлекательного центра, системы охраны, климатической системы, бытовой техники и т. д.) - основа идеи создания интеллектуального цифрового дома, которая также реализуется с помощью беспроводных устройств.

Хотя существует множество индивидуальных пользователей, наиболее быстрорастущим сегментом сообщества потребителей беспроводных технологий является корпоративный. Беспроводная передача данных представляет собой важное стратегическое средство; она обеспечивает рост производительности (сотрудники получают постоянный и своевременный доступ к корпоративной информации, быстрее узнают новости), повышает качество обслуживания клиентов (можно мгновенно принимать жалобы и пожелания и реагировать на них) и создает конкурентные преимущества (повышение скорости обмена информацией и, следовательно, скорости принятия решений).

Ну а в будущем нас ждет беспроводной мир.

В своей книге мы постарались рассмотреть теоретические и практические вопросы, связанные с созданием беспроводных сетей и устройствами, их реализующими.


5

                Организация беспроводных сетей




Лекция знакомит читателя с основами беспроводных сетей передачи данных, с технологией Wi-Fi и ее преимуществами перед обычными кабельными сетями. Рассматриваются основные элементы сети и их характеристики. Подробно описаны основы передачи данных в беспроводных сетях, технологии модуляции сигналов. Не оставлены без внимания вопросы, связанные с методами доступа к среде в беспроводных сетях, технологией расширенного спектра. Большое внимание уделено кодированию и защите от ошибок, как наиболее важному элементу при понимании технологии беспроводных локальных сетей.

Что такое Wi-Fi?

WI-FI - это современная беспроводная технология соединения компьютеров в локальную сеть и подключения их к Internet. Именно благодаря этой технологии Internet становится мобильным и дает пользователю свободу перемещения не то что в пределах комнаты, но и по всему миру.

Представьте себе такую картину: вы пользуетесь своим компьютером так же, как сейчас - мобильным телефоном; вам не нужны провода, вы можете взять свой ноутбук в любую точку Москвы и войти в Internet практически отовсюду. Это - ближайшее будущее.

Под аббревиатурой “Wi-Fi” (от английского словосочетания “Wireless Fidelity“, которое можно дословно перевести как “высокая точность беспроводной передачи данных”) в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам.

С увеличением числа мобильных пользователей возникает острая необходимость в оперативном создании коммуникаций между ними, в обмене данными, в быстром получении информации. Поэтому естественным образом происходит интенсивное развитие технологий беспроводных коммуникаций. Особенно это актуально в отношении беспроводных сетей, или так называемых WLAN-сетей (Wireless Local Area Network). Сети Wireless LAN - это беспроводные сети (вместо обычных проводов в них используются радиоволны). Установка таких сетей рекомендуется там, где развертывание кабельной системы невозможно или экономически нецелесообразно.

Беспроводные сети особенно эффективны на предприятиях, где сотрудники активно перемещаются по территории во время рабочего дня с целью обслуживания клиентов или сбора информации (крупные склады, агентства, офисы продаж, учреждения здравоохранения и др.).

Благодаря функции роуминга между точками доступа пользователи могут перемещаться по территории покрытия сети Wi-Fi без разрыва соединения.

WLAN-сети имеют ряд преимуществ перед обычными кабельными сетями:

  • WLAN-сеть можно очень быстро развернуть, что очень удобно при проведении


6

    презентаций или в условиях работы вне офиса;
  п пользователи мобильных устройств при подключении к локальным беспроводным сетям могут легкоперемещаться в рамках действующих зон сети;
  • скорость современных сетей довольно высока, что позволяет использовать их для решения очень широкого спектра задач;
  • WLAN-сеть может оказаться единственным выходом, если невозможна прокладка кабеля для обычной сети.

Вместе с тем необходимо помнить об ограничениях беспроводных сетей. Это, как правило, все-таки меньшая скорость, подверженность влиянию помех и более сложная схема обеспечения безопасности передаваемой информации.

Сегмент Wi-Fi сети может использоваться как самостоятельная сеть, либо в составе более сложной сети, содержащей как беспроводные, так и обычные проводные сегменты. Wi-Fi сеть может использоваться:

  • для беспроводного подключения пользователей к сети;
  • для объединения пространственно разнесенных подсетей в одну общую сеть там, где кабельное соединение подсетей невозможно или нежелательно;
  • для подключения к сетям провайдера Internet-услуги вместо использования выделенной проводной линии или обычного модемного соединения.

Основные элементы сети

Для построения беспроводной сети используются Wi-Fi адаптеры и точки доступа.

Адаптер (рис. 1.1 ) представляет собой устройство, которое подключается через слот расширения PCI, PCMCIA, CompactFlash. Существуют также адаптеры с подключением через порт USB 2.0. Wi-Fi адаптер выполняет ту же функцию, что и сетевая карта в проводной сети. Он служит для подключения компьютера пользователя к беспроводной сети. Благодаря платформе Centrino все современные ноутбуки имеют встроенные адаптеры Wi-Fi, совместимые со многими современными стандартами. WiFi адаптерами, как правило, снабжены и КПК (карманные персональные компьютеры), что также позволяет подключать их к беспроводным сетям.

Для доступа к беспроводной сети адаптер может устанавливать связь непосредственно с другими адаптерами. Такая сеть называется беспроводной одноранговой сетью или Ad Hoc (“к случаю”). Адаптер также может устанавливать связь через специальное устройство - точку доступа. Такой режим называется инфраструктурой.

Для выбора способа подключения адаптер должен быть настроен на использование либо Ad Hoc, либо инфраструктурного режима.

Точка доступа (рис. 1.2) представляет собой автономный модуль со встроенным микрокомпьютером и приемно-передающим устройством.


7

Рис. 1.1. Адаптеры

Через точку доступа осуществляется взаимодействие и обмен информацией между беспроводными адаптерами, а также связь с проводным сегментом сети. Таким образом, точка доступа играет роль коммутатора.





Рис. 1.2. Точка доступа

Точка доступа имеет сетевой интерфейс (uplink port), при помощи которого она может быть подключена к обычной проводной сети. Через этот же интерфейс может осуществляться и настройка точки.

Описание беспроводного оборудования можно найти в Приложении А.

Точка доступа может использоваться как для подключения к ней клиентов (базовый режим точки доступа), так и для взаимодействия с другими точками доступа с целью построения распределенной сети (Wireless Distributed System - WDS). Это режимы беспроводного моста “точка-точка” и “точка - много точек”, беспроводной клиент и повторитель.

Доступ к сети обеспечивается путем передачи широковещательных сигналов через эфир. Принимающая станция может получать сигналы в диапазоне работы нескольких передающих станций. Станция-приемник использует идентификатор зоны


8

обслуживания (Service Set IDentifier - SSID) для фильтрации получаемых сигналов и выделения того, который ей нужен.

Зоной обслуживания (Service Set - SS) называются логически сгруппированные устройства, обеспечивающие подключение к беспроводной сети.

Базовая зона обслуживания (Basic Service Set - BSS) - это группа станций, которые связываются друг с другом по беспроводной связи. Технология BSS предполагает наличие особой станции, которая называется точкой доступа (access point).

Для более полного понимания работы беспроводных устройств обратимся к следующему разделу.

Основы передачи данных в беспроводных сетях

Сигналы для передачи информации

Если рассматривать сигнал как функцию времени, то он может быть либо аналоговым, либо цифровым. Аналоговым называется сигнал, интенсивность которого во времени изменяется постепенно. Другими словами, в сигнале не бывает пауз или разрывов. Цифровым называется сигнал, интенсивность которого в течение некоторого периода поддерживается на постоянном уровне, а затем также изменяется на постоянную величину (это определение идеализировано). На рисунке рис. 1.3 приведены примеры сигналов обоих типов. Аналоговый сигнал может представлять речь, а цифровой - набор двоичных единиц и нулей.

Простейшим типом сигнала является периодический сигнал, в котором некоторая структура периодически повторяется во времени. На рис. 1.4 приведен пример периодического аналогового сигнала (синусоида) и периодического цифрового сигнала (прямоугольный сигнал, или меандр). Математическое определение: сигнал s(t) является периодическим тогда и только тогда, когда

s(f + Т) = s(t), при, — ОО < t < +оо

где постоянная T является периодом сигнала ( T - наименьшая величина, удовлетворяющая этому уравнению).

Фундаментальным аналоговым сигналом является синусоида. В общем случае такой сигнал можно определить тремя параметрами: максимальной амплитудой А, частотой фазой . Максимальной амплитудой называется максимальное значение или интенсивность сигнала во времени; измеряется максимальная амплитуда, как правило, в вольтах. Частотой называется темп повторения сигналов (в периодах за секунду, или герцах). Эквивалентным параметром является период сигнала Т, представляющий собой время, за которое происходит повторение сигнала; следовательно, i .■ . Фаза является мерой относительного сдвига по времени в пределах отдельного периода сигнала (данный термин будет проиллюстрирован ниже).


9

Рис. 1.3. Аналоговый и цифровой сигналы

В общем случае синусоидальный сигнал можно представить в следующем виде: s(t) = 4sin(2?r/i + p).
Существует соотношение между двумя синусоидальными сигналами, один из которых изменяется во времени, а другой - в пространстве. Определим длину волны сигнала как расстояние, занимаемое одним периодом или, иными словами, как расстояние между двумя точками равных фаз двух последовательных циклов. Предположим, что сигнал распространяется со скоростью . Тогда длина волны связана с периодом следующим соотношением: ,      , что равносильно / = v. Особое значение для
нашего изложения имеет случай v = , где - скорость света в вакууме, приблизительно равная ■ 111 । .

10