up
Материал распечатан с сайта https://gecid.com/
Оригинал статьи находится по адресу https://ru.gecid.com/netlan/wi-fi_-_razvitie_i_osnovnyee_prinjipye_samogo_rasprostranennogo_standarta_besprovodnyeh_seteyi/

25-12-2007

Wi-Fi - развитие и основные принципы самого распространенного стандарта беспроводных сетей

Беспроводные сети передачи данных заполнили почти все сферы нашей жизни, позволяя более комфортно пользоваться их возможностями. Учитывая уже ставшую необходимой потребность в обмене информацией («кто владеет информацией, тот правит миром»), постоянно совершенствуются новые стандарты связи. Такое развитие позволяет получать все большие скорости соединения, большие радиусы действия и различные технологии защиты. Одним из инструментов помогающих нам «владеть миром» и стала беспроводная сетевая технология Wi-Fi (Wireless Fidelity). Разработана консорциумом «Wi-Fi Alliance» на базе стандартов IEEE 802.11, «Wi-Fi» — торговая марка «Wi-Fi Alliance». Технологию назвали Wireless-Fidelity (дословно «Беспроводная надёжность»).

Немного погрузившись в историю этого стандарта можно узнать, что Wi-Fi был создан в 1991 NCR Corporation/AT&T (впоследствии - Lucent и Agere Systems) в Ньивегейн, Нидерланды. Первое применение он нашел в продуктах, которые  изначально предназначались для систем кассового обслуживания, и вышел на рынок под маркой WaveLAN. В начале своего развития продукты обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с.

Вик Хейз (Vic Hayes), создатель Wi-Fi, принимал активное участие в развитие последующих стандартов, работая в команде по разработке таких спецификаций, как IEEE 802.11b, 802.11a и 802.11g. В 2003 Вик ушёл из Agere Systems. Agere Systems не смогла конкурировать на равных в тяжёлых рыночных условиях, несмотря на то, что её продукция занимала нишу дешёвых Wi-Fi решений. 802.11abg all-in-one чипсет от Agere (кодовое имя: WARP) плохо продавался, и Agere Systems решила уйти с рынка Wi-Fi в конце 2004 года.

На данный момент существует четыре основных стандарта 802.11a, 802.11b, 802.11g и 802.11n, которые востребованны в компьютерной и бытовой аппаратуре. Архитектура стандарта Wi-Fi одинакова для всех ее реализаций, спецификация каждой из них затрагивает физический уровень, меняя лишь скоростные характеристики доступа. Не стоит забывать, что как всегда, радиус покрытия также зависит от мощности излучения, количества приемных антенн, схемы модуляции и коррекции ошибок.

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа (AP, от англ. access point) и не менее одного клиента (режим «инфраструктура»), хотя возможно подключение и двух клиентов в режиме точка-точка, когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой SSID (англ. Service Set IDentifier, Network name — идентификатор сети, сетевое имя) с помощью специальных пакетов, называемых сигнальными пакетами, передающихся каждые 100 мс. Сигнальные пакеты передаются на скорости 0.1 Mбит/с и обладают малым размером, поэтому они не влияют на характеристики сети. Так как 0.1 Mбит/с — наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi, то клиент, получающий сигнальные пакеты, может быть уверен, что сможет соединиться на скорости не менее, чем 0.1 Mбит/с. Зная параметры сети (то есть SSID), клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. Программа, встроенная в Wi-Fi карту клиента, также может влиять на подключение. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID программа может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения и роуминга. В этом преимущество Wi-Fi, хотя оно означает, что один из адаптеров может выполнять эти действия гораздо лучше другого. Последние версии операционных систем содержат функцию, называемую zero configuration, которая показывает пользователю все доступные сети и позволяет переключаться между ними «на лету». Это означает, что роуминг будет полностью контролироваться операционной системой. Wi-Fi передаёт данные в эфире, поэтому он обладает свойствами, сходными с некоммутируемой ethernet-сетью, и для него могут возникать такие же проблемы.


Сравнение стандартов беспроводной связи по скорости и зоне покрытия.

Торговая марка Wi-Fi гарантирует совместимость оборудования от разных производителей.

В 802.11a используется OFDM схема модуляции сигнала - мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Основной поток данных разделяется на ряд параллельных подпотоков с относительно низкой скоростью передачи, а затем по ним модулируются несущие. На практике же основная полоса частот делится на несколько полос меньшей ширины, в каждой из которых происходит передача отдельного сигнала. Чтобы исключить влияние соседних несущих друг на друга, применяется инверсное дискретное преобразование Фурье, после чего спектры несущих могут пересекаться, но всегда остаются ортогональными - каждая из них содержит целое количество колебаний во время передачи единицы информации. OFDM хорошо проявляет себя в сильно зашумленной среде, например в городе, потому что помеха, исказившая одну несущую, может не затронуть остальные. Однако несколько точек доступа, оказавшиеся поблизости, могут стать серьезным источником проблем друг для друга. С одной стороны, увеличение частоты положительно сказалось на качестве связи, так как диапазон 5 ГГц используется в мире не столь широко, как 2,4 ГГц, на который оказывают влияние микроволновые печи, Bluetooth-адаптеры и телефоны. С другой стороны, сравнительно короткие волны лучше поглощаются материалами, через которые они проходят. На практике это зачастую означает, что два подобных устройства могут связаться друг с другом лишь при условии прямой видимости. Так, в закрытых помещениях дальность действия составляет: 12 м (54 Мбит/с), 91 м (6 Мбит/с); а в пределах прямой видимости: 30м (54 Мбит/с), 305м (6 Мбит/с), и далее для их модуляции используется соответствующее число несущих. Поскольку присутствует возможность одновременного использования двух каналов (из 12-ти не перекрывающихся), то скорость увеличивается вдвое до 54 Мбит/с, рабочая частота составляет 5 ГГц (5,15-5,350 ГГц и 5,725-5,825 ГГц).

В 802.11b используется DSSS схема модуляции - широкополосная модуляция с прямым расширением спектра. Скорость передачи невысокая -  11 Мбит/с и защита реализована на низком уровне, поскольку протокол шифрования WEP уже был взломан несколько лет назад. Следует помнить, что неправильная настройка оборудования, поддерживающего даже самые современные технологии защиты, не обеспечит должный уровень безопасности вашей сети. В каждом стандарте есть дополнительные технологии и настройки для повышения уровня безопасности. Расстояние и скорость передачи в закрытых помещениях для 802.11b составляет: 30 м (11 Мбит/с), 91 м (1 Мбит/с); а в пределах прямой видимости: 120м (11 Мбит/с), 460м (1 Мбит/с).  Пожалуй, данный стандарт стоит лишь использовать в тех случаях, когда оборудование не поддерживает другой, более защищенный и быстрый. Используются 3 не перекрывающихся канала с рабочей частотой 2,4 ГГц (2,4-2,4835 ГГц).

Для 802.11g используется OFDM схема модуляции - мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам. По сравнению со стандартом 802.11b является более совершенным и почти в 5 раз увеличена скорость передачи данных, которая составляет в закрытых помещениях: 30 м (54 Мбит/с), 91 м (1 Мбит/с); а в пределах прямой видимости: 120 м (54 Мбит/с), 460 м (1 Мбит/с). Кроме того, ее значения могут быть большими, если используемое вами оборудование поддерживает технологию superG или True MIMO, следовательно, максимально достижимая скорость канала 125 Мбит/с. Также используются 3 не перекрывающихся канала с рабочей частотой 2,4 ГГц (2,4-2,4835 ГГц). Стандарт 802.11g имеет более высокий уровень защиты по протоколам шифрования WPA и WPA2, нежели WEP у 802.11b. Интересно, что при уменьшении скорости передачи изменяется и способ модуляции. При высокой скорости используется OFDM, а при ухудшении условий устройства могут задействовать CCK или DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) технологию расширения спектра сигнала прямой последовательностью.


Расширение частотного диапазона приводит к увеличению пропускной способности канала. Источник: Intel

Для 802.11n используется OFDM схема модуляции, которая дает пропускную способность 65 Мб/с по одному пространственному потоку (тогда как в версиях 802.11a/g указанное значение составляет 54 Мб/с) и сокращение защитного интервала с 800 до 400 нс, что дополнительно увеличивает скорость передачи символов OFDM. Данный стандарт очень привлекателен поскольку устройство может работать в полосе или 2,4 или/и 5 ГГц, т.е. является обратносовместимым  с предыдущими технологиями Wi-Fi, например, с 802.11b при использовании метода модуляции CCK (Complementary Code Keying) и полосы 2,4 ГГц в каналах 20 МГц, а с 802.11a при использовании полосы 5 ГГц и в каналах шириной 20 или 40 МГц при использовании метода модуляции OFDM.


Частотное разделение каналов с ортогональными несущими сигналами


Зависимость теоретической пропускной способности от SNR, числа каналов и диапазонов. Источник: Intel.

Поскольку безопасности беспроводных сетей стоит уделять особое внимание, рассмотрим упомянутые выше способы защиты, определив свои преимущества и недостатки.

1) WEP - 64-, 128-, 256- и 512-битный протокол шифрования. Более высокая стойкость сети к взлому будет обеспечена большим количеством используемых бит  для хранения ключа, что обеспечивает больше возможных комбинаций ключей. WEP ключ состоит из статической и динамической части (вектор инициализации повторяющийся через некоторый промежуток времени), первая 40 бит в случае 64-битного шифрования, а вторая часть 24 бит, меняющаяся в процессе работы сети. Следовательно, взломщику нужно собрать повторы вектора инициализации и вычислить по ним статическую часть ключа. Поэтому на сегодняшний день стоит использовать другие стандарты, либо дополнять имеющийся WEP иными способами защиты.

2) TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) протокол динамических ключей сети, которые меняются довольно часто. При этом каждому устройству также присваивается ключ, который тоже меняется.

3) MIC (Message Integrity Check) протокол проверки целостности пакетов, который защищает их от перехвата, а тоже участвует в защите информации при перенаправлении пакетов.

4) WPA протокол шифрования, который представлен несколькими вариантами:

5) WPA2 - усовершенствование протокола WPA, где используется более стойкий AES алгоритм шифрования. По аналогии с WPA, WPA2 также делится на два типа: WPA2-PSK и WPA2-802.1x.

6) 802.1X - стандарт безопасности, в который входят несколько протоколов:

7) VPN (Virtual Private Network) – протокол, который можно использовать в любом типе сетей для безопасного подключения клиентов к сети через общедоступные Интернет-каналы. Для шифрования трафика в VPN чаще всего используется протокол IPSec,  создаются безопасные «туннели» от пользователя до узла доступа или сервера. Он обеспечивает практически стопроцентную безопасность. Поскольку случаев взлома VPN на данный момент неизвестно, рекомендуем использовать эту технологию для корпоративных сетей.

Существуют и дополнительные методы защиты:

Стоит отметить, что для контроля доступа в каждую точку доступа помещается ESSID, без знания которого мобильная станция не сможет подключиться к точке доступа.

Законный статус Wi-Fi различен в разных странах. В США диапазон 2.5 ГГц разрешается использовать без лицензии, при условии, что мощность не превышает определенную величину, и такое использование не создает помех тем, кто имеет лицензию.

В России использование Wi-Fi без разрешения на использование частот от Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) возможно для организации сети внутри зданий, закрытых складских помещений и производственных территорий. Для легального использования вне офисной беспроводной сети Wi-Fi (например, радиоканала между двумя соседними домами) необходимо получение разрешения на использование частот. Действует упрощенный порядок выдачи разрешений на использование радиочастот в полосе 2400-2483,5 МГц (стандарты 802.11b и g), для получения такого разрешения не требуется частное решение ГКРЧ. Для использования радиочастот в других диапазонах, в частности 5 ГГц (стандарт 802.11a), необходимо предварительно получить частное решение ГКРЧ. За нарушение порядка использования радиоэлектронных средств предусматривается ответственность по статьям 13.3 и 13.4 Кодекса Российской Федерации об административных правонарушениях (КоАП РФ).

В Украине использование Wi-Fi без разрешения УДЦР (Український державний центр радіочастот) возможно в лишь в случае использования точки доступа со стандартной всенаправленной антенной (4-10 Дб, мощность сигнала до 500мВт на 2,4 ГГц и 200мВт на 5 ГГц) для внутренних потребностей организации (Решение Национальной комиссии по регулированию связи в Украине №914 от 2007.09.06). В случае сигнала большей мощности, либо предоставления услуг доступа в Интернет, либо к каким-либо ресурсам необходимо получить лицензию на использование радиочастот ( см. «Порядок використання в Україні смуги радіочастот 2400-2483,5 МГц РЕЗ системи передавання даних з ШПС»  и «Рішення від 06.09.2007 № 914 "Про затвердження Переліку радіоелектронних засобів та випромінювальних пристроїв, для експлуатації яких не потрібні дозволи на експлуатацію"»).

Преимущества Wi-Fi

Недостатки Wi-Fi

Автор: Валерий Паровышник

опубликовано 25-12-2007
Материал распечатан с сайта https://gecid.com/
Оригинал статьи находится по адресу https://ru.gecid.com/netlan/wi-fi_-_razvitie_i_osnovnyee_prinjipye_samogo_rasprostranennogo_standarta_besprovodnyeh_seteyi/