Позиционирование в сетях Wi-Fi

Сетевой уровень (Network layer)

Служит  для  образования единой транспортной  системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать совершенно разные принципы   передачи   сообщений   между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Сети соединяются между собой специальными устройствами,  называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор - это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений, и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Для того, чтобы передать сообщения сетевого уровня, или, как их принято называть, пакеты (packets) от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач между сетями. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет. Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня. Сетевой уровень решает также задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.

Транспортный уровень (Transport layer)

На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют  собственные средства борьбы с  ошибками, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Работа транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням стека – прикладному и сеансовому – передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов услуг, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды услуг отличаются качеством; срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное способностью к обнаружению. Все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных узлов сети - компонентами их сетевых операционных систем.

Сеансовый уровень (Session layer)

Обеспечивает управление диалогом для того, чтобы фиксировать, какая из сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке вместо того, чтобы начинать все с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Представительский уровень (Presentation layer)

Имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда будет понятна прикладному уровню в другой системе. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия кодов символов. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрирование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень (Application layer)

Набор разнообразных протоколов, с помощью  которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

3. СТАНДАРТ IEEE 802.11 (WiFi) И ЕГО РАЗВИТИЕ

Беспроводные сети стандарта  IЕЕЕ 802.11 работают в двух диапазонах: 2,4...2,483 ГГц и в нескольких полосах частот на 5 ГГц, которые являются нелицензируемыми. При этом возможно несколько вариантов топологий:

• независимые базовые зоны обслуживания (independent basic service sets, IBSS);
• базовые зоны обслуживания (basic service sets, BSS);
• расширенные зоны обслуживания (extended service sets, ESS)

Независимая базовая зона обслуживания представляет собой группу работающих в соответствии со стандартом 802.11 станций, связывающихся непосредственно одна с другой. IBSS также называют эпизодической или неплановой (ad-hoc) сетью. На Рис. 1.4. показано, как три станции, оборудованные беспроводными сетевыми интерфейсными картами (network interface card, NIC) стандарта 802.11, могут формировать IBSS и напрямую связываться одна с другой.

Рис. 1.4. Эпизодическая (ad-hoc) сеть.

Технология базовых зон обслуживания предполагает наличие особой станции: точки доступа AP (access point). Точка доступа – это центральный пункт связи для всех станций BSS. Станции клиентов не связываются непосредственно друг с другом. Вместо этого они передают сообщения точке доступа, а уже она направляет информационные пакеты станции-адресату. Точка доступа может иметь порт восходящего канала (uplink port), через который BSS подключают к проводной сети (например, восходящий канал Ethernet для доступа к Интернету). Поэтому BSS называют сетью с инфраструктурой. На Рис. 1.5. представлена типичная инфраструктура BSS.

Рис. 1.5. Беспроводная локальная сеть (WLAN) с инфраструктурой.

Инфраструктуры BSS могут быть соединены через их интерфейсы восходящего канала, т.е. в зоне действия стандарта 802.11, интерфейс восходящего канала соединяет BSS с распределительной системой (distribution system, DS). Несколько BSS, соединенных между собой через распределительную систему, образуют расширенную зону обслуживания (ESS). Восходящий канал к распределительной системе не обязательно должен использовать проводное соединение. На Рис. 1.6. представлен пример практического воплощения ESS. Спецификации стандарта 802.11 позволяют построить этот канал как беспроводный. Но чаще восходящие каналы к распределительной системе представляют собой каналы проводной Ethernet.

Рис. 1.6. Расширенная зона обслуживания ESS беспроводной локальной сети.

Беспроводные локальные сети передачи информации (WLAN) развиваются в последнее время весьма быстро. Простота развертывания таких сетей ограничена только необходимостью оформления разрешительной документации (в тех странах, где это требуется). В некоторых случаях по пропускной способности они не уступают выделенным медным линиям. Помехоустойчивость, надежность и защищенность современных протоколов передачи сделали WLAN явлением повсеместным, а оборудование для них - массовым продуктом.

Первые устройства для беспроводных локальных сетей появились в начале-середине 90-х годов. Но уже в 1999-м объем продаж устройств для беспроводных сетей достиг 600-770 млн. долл., а к 2004 году он составил порядка 2,2-3 млрд. долл. Причем стремительно развиваются сами технологии передачи и оборудование для них. С не меньшей стремительностью падает и стоимость оборудования.

Общее количество точек доступа к WiFi на конец 2003 года составляло 125000. Аналитическое агентство Pyramid Research к концу 2009 года предсказывает рост точек доступа в мире на уровне до 308 тыс. В таблице 1 приведены статистика и прогноз развития сетей WLAN по регионам.

Таблица 1. Распределение точек  доступа по регионам: статистика и прогноз.

Этот довольно-таки традиционный прогноз не учитывает того факта, что, во-первых, стандарт IEEE 802.11 не обеспечивает качество обслуживания, как при передаче голоса, так и видео, а, во-вторых, проект стандарта IEEE 802.11n, который утвержден в 2008 году, увеличивает реальную скорость на уровне приложений до 100 Мб/с за счет использования многоантенного принципа MIMO «много входов – много выходов» (Multiple Input – Multiple Output) и сокращения служебной нагрузки на подуровне МАС с 50% в IEEE 802.11 до 25% в IEEE 802.11n за счет введения блочных сообщений подтверждения.

Работы в этой области начались в 1989 году, когда была организована рабочая группа 11-го комитета IEEE 802. В июле 1997 года, в результате работы этой группы, был опубликован стандарт IЕЕЕ 802.11 «Спецификация физического уровня и уровня контроля доступа к каналу передачи беспроводных локальных сетей» (Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specification). Он определяет архитектуру сети и вытекающие из этого требования к функциям устройств, принципы доступа устройств к каналам связи, формат пакетов передачи, способы аутентификации и защиты данных. Хотя стандарт изначально задумывался как инвариантный по отношению к какому-либо частотному диапазону, на физическом уровне он определял три способа работы: два радиочастотных и оптический. В инфракрасном диапазоне предусматривалась импульсно-позиционная модуляция, в диапазоне 2,400-2,4835 ГГц - режим модуляции с расширением спектра со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum) и методом прямой последовательности (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum).

Так как первая версия стандарта 802.11 поддерживала скорости обмена информации на уровне 1 и 2 Мбит/с, что не могло конкурировать с проводными сетями, 16 сентября 1999 года был утвержден стандарт IEEE 802.11b . Он описывал физический и МАС-уровни беспроводных сетей для работы в диапазоне 2,4 ГГц. Стандарт определял работу на скоростях 1 и 2 Мбит/с с модуляцией только методом DSSS, а также предусматривал скорости обмена до 11 Мбит/с (а опционально - и до 33 Мбит/с). Передача данных на скоростях 5.5 и 11 Мбит/с происходит посредством дополняющей (комплементарной) кодовой манипуляции CCK – Complementary Code Keying – (основной вид модуляции). Кроме того, предусматривалась и работа на скоростях 22 и 33 Мбит/с посредством пакетного двоичного (бинарного) сверточного кодирования (PBCC – Packet Binary Convolutional Coding).

Стандарт IEEE 802.11a, описывающий работу в диапазоне 5 ГГц, был принят одновременно с IEEE 802.11b. В нем использован принципиально иной, чем в IEEE 802.11b, механизм модуляции/мультиплексирования, а именно многоканальное частное разделение посредством ортогональных несущих (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

В IEEE 802.11.a каждый пакет передается посредством 52 ортогональных несущих, каждая с шириной полосы порядка 300 кГц (20 МГц/64 МГц). Ширина одного канала 20 МГц. Несущие модулируют посредством двоичной и квадратурной фазовых манипуляций BPSK, QPSK (Binary Quadrature Phase Shift Keying), 16- и 64-позиционной квадратурной амплитудной модуляции (QAM – Quadrature Amplitude Modulation). В совокупности с различными скоростями кодирования (1/2 и 3/4, для 64-QAM 2/3 и 3/4) образуется набор скоростей передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с.

Кроме того, вместо трех неперекрывающихся  каналов в диапазоне 2,4 ГГц для сетей IEEE 802.11b только в нижнем поддиапазоне 5,15-5,35 ГГц имеются восемь неперекрывающихся каналов.

Однако к моменту, когда данные решения стали технологически возможны и рентабельны, в Европе был разработан свой стандарт 5 ГГц - HyperLan2. Работы по ускорению использования стандарта IEEE 802.11b в диапазоне 2,4 ГГц привели к появлению новой, совместимой с IEEE 802.11b, версии стандарта - IEEE 802.11g, предусматривающей скорости до 54 Мбит/с.

Работы над спецификацией  IEEE 802.11g начались в марте 2000 года, когда была сформирована исследовательская группа по изучению возможности увеличения скорости передачи данных свыше 20 Мбит/с в диапазоне 2,4 ГГц. В ноябре 2000 года эта группа приобрела статус штатной группы разработчиков и получила обозначение G. Через полтора года, рассмотрев несколько альтернативных подходов, специалисты исследовательской группы G предложили использовать применяющуюся в стандарте IEEE 802.11a систему кодирования с мультиплексированием посредством ортогональных несущих OFDM. В качестве дополнительных (необязательных) возможностей новый стандарт IEEE 802.11g предусматривал использование таких схем модуляции, как последовательность дополнительных кодов ССК (Complementary Code Keying) – OFDM и двоичное пакетное сверточное кодирование PBCC (Packet Binary Convolutional Coding).

Новая спецификация представляет собой перенесение схемы модуляции OFDM, прекрасно зарекомендовавшей себя в IEEE 802.11а, из диапазона 5 ГГц в область 2,4 ГГЦ при сохранении возможностей устройств стандарта IEEE 802.11b. Это возможно, поскольку в стандартах IEEE 802.11 ширина одного канала в диапазоне 2,4 и 5 ГГц схожа – 22 МГц по уровню -30 и -20 дБ соответственно. В настоящее время совместимым оборудованием является оборудование тех производителей, которое построено на использовании стандартов IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g.

На  сегодняшний день специалистами  IEEE ведется совершенствование стандарта IEEE 802.11n. Данный стандарт должен обеспечить скорость передачи данных, минимальным значением которой будет 100 Мбит/с (максимум 480 Мбит/с), что фактически равняется наиболее распространенной скоростью в проводных сетях стандарта Ethernet 802.3. IEEE 802.11n использует метод ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) и квадратурную амплитудную модуляцию (QAM). Это обеспечивает не только высокую скорость передачи данных, но и полную совместимость со стандартами IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g.

Для увеличения скорости передачи данных планируется использовать несколько новых технологий, одной из которых является технология с множественным вводом/выводом. Ее смысл заключается в параллельной передаче данных по разным каналам с применением нескольких передающих антенн. Кроме того, подразумевается расширение частотного канала до 40 МГц.