Файл: Учебнопрактическое пособие Владимир 2021.pdf

99
Рис. 2.6. Топология сети IEEE 802.15.4 типа «звезда» и «равный с равным»
Рис. 2.7. Объединение нескольких кластеров в сеть IEEE 802.15.4
Сеть стандарта IEEE 802.15.4 содержит два типа устройств – так называемые полнофункциональные (FFD) и устройства с уменьшен- ной функциональностью (RFD). Их основное отличие в следующем:
FFD могут устанавливать соединения с любыми устройствами, RFD – только с FFD. В каждой пикосети (PAN) должно быть устройство – координатор PAN. Его функции может выполнять только FFD. Сеть, состоящая из одного FFD и нескольких RFD, образует топологию ти- па «звезда». Если в сети FFD несколько, топология может быть более сложной – типа одноранговой сети (сети равноправных устройств – peer-to-peer) «каждый с каждым» (рис. 2.6) или объединение несколь-

100 ких звездообразных кластеров (рис. 2.7). Но в любом случае одно из
FFD выполняет функцию координатора сети. Каждому устройству се- ти присваивается 64-разрядный адрес.
Стандарт предусматривает взаимодействие устройств не только в рамках одной PAN, но и между различными соседними PAN (для чего и нужна развитая система адресации). Для упрощения обмена внутри сети координатор PAN может присвоить устройствам более короткие 16разрядные адреса. В этом случае для межсетевого взаи- модействия используются 16-разрядные идентификаторы сетей, так- же назначаемые координатором.
Данный стандарт, активно продвигаемый Альянсом ZigBee, призван заполнить вакуум в спектре низкоскоростных и дешевых беспроводных сетевых технологий, поскольку он предлагает разра- ботчикам возможность создавать недорогие продукты с очень низким потреблением мощности и чрезвычайно гибкими функциями под- держки беспроводного сетевого взаимодействия.
Беспроводные локальные сети WLAN.
Беспроводные локальные сети передачи информации (WLAN) развиваются в последние десять лет невероятно быстро. Простота развертывания таких сетей ограничена только необходимостью оформления разрешительной документации (в тех странах, где это требуется).
Диапазон или область охвата большинства систем WLAN до- стигает 160 м, в зависимости от количества и вида имеющихся пре- пятствий, а по пропускной способности они не уступают выделенным медным линиям. С помощью дополнительных точек доступа можно расширить зону действия, и тем самым обеспечить свободу передви- жения и расширение зоны охвата сети. Сети WLAN исключительно надежны. Поскольку беспроводная технология уходит корнями в оборонную промышленность, обеспечение безопасности беспровод- ных устройств предусматривалось с самого начала. В сетях WLAN используется технология Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), ко-

101 торая отличается высокой устойчивостью к искажению данных, по- мехам, в том числе преднамеренным. Кроме того, все пользователи беспроводной сети проходят аутентификацию по системному иден- тификатору, что предотвращает несанкционированный доступ к дан- ным. Для передачи особо уязвимых данных пользователи могут ис- пользовать режим Wired Equivalent Privacy (WEP), при котором сиг- нал шифруется дополнительным алгоритмом, а данные контролиру- ются с помощью электронного ключа. В сетях WLAN, работающих по спецификации 802.11b, для обеспечения более высокой надежно- сти сети вместе с аутентификацией пользователя могут применяться
40-битные и 128-битные алгоритмы шифрования. Перехват трафика, как умышленный, так и неумышленный, практически невозможен.
Количество пользователей практически неограниченно. Его можно увеличивать, просто устанавливая новые точки доступа. Перекрыва- ющихся каналов, которые не будут создавать взаимные помехи, од- новременно может быть установлено не более трех.
Не смотря на молодость стандартов построения беспроводных локальных сетей, они уже очень хорошо проработаны и опробованы на практике. Учитывая достаточно подробное и обширное освещение в периодических изданиях и специальной литературе современных технологий WLAN, только кратко остановимся на двух наиболее мас- совых множествах стандартов в области беспроводных локальных се- тей - IEEE 802.11 и DECT.
Семейство стандартов IEEE 802.11

102 пакетов, 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 – режимы модуляции с расширением спектра методом частотных скачков (FHSS) и методом прямой после- довательности (DSSS). Скорости обмена устанавливались на уровне 1 и 2 Мбит/с. Однако устройства, соответствующие исходной специфи- кации IEEE 802.11, так и не были созданы ввиду того, что за период разработки стандарта пропускная способность проводных сетей
Ethernet сильно возросла. Максимальная скорость передачи 2 Мбит/с, предусмотренная в IEEE 802.11, уже не удовлетворяла пользователей.
Проблему решило появление стандартов (дополнений) IEEE 802.l1b,
802.11а и 802. 11g.
Вместе с тем стандарт IEEE 802.11 является базовым и опреде- ляет протоколы, необходимые для организации беспроводных ло- кальных сетей (WLAN). Основные из них – протокол управления до- ступом к среде MAC (Medium Accsess Control – нижний подуровень уровня звена данных) и протокол PHY передачи сигналов в физиче- ской среде. В качестве физической среды допускается использование радиоволн и инфракрасного излучения. По сравнению с проводными
ЛС Ethernet возможности подуровня MAC расширены за счет вклю- чения в него ряда функций, обычно выполняемых протоколами более высоких уровней, в частности, процедур фрагментации и ретрансля- ции пакетов. Это вызвано стремлением повысить эффективную про- пускную способность системы благодаря снижению накладных рас- ходов на повторную передачу пакетов. В качестве основного метода доступа к среде стандартом 802.11 определен механизм CSMA/CA
(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – множествен- ный доступ с обнаружением несущей и предотвращением коллизий).
Для экономии энергоресурсов мобильных рабочих станций, ис- пользуемых в беспроводных ЛС, стандартом 802.11 предусмотрен

103 механизм переключения станций в пассивный режим с минимальным потреблением мощности.
В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура, при- чем сеть может состоять как из одной, так и нескольких ячеек (сот).
Каждая сота управляется базовой станцией, называемой точкой до- ступа (Access Point, AP), которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей образует ба- зовую зону обслуживания (Basic Service Set, BSS). Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распредели- тельную систему (Distribution System, DS), представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛС. Вся инфраструк- тура, включающая точки доступа и распределительную систему об- разует расширенную зону обслуживания (Extended Service Set). Стан- дартом предусмотрен также односотовый вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее функций выполняются непосредственно рабочими станциями.
Для обеспечения перехода мобильных рабочих станций из зоны действия одной точки доступа к другой в многосотовых системах предусмотрены специальные процедуры сканирования (активного и пассивного прослушивания эфира) и присоединения (Association), од- нако строгих спецификаций по реализации роуминга стандарт 802.11 не предусматривает.
Для защиты WLAN стандартом IEEE 802.11 предусмотрен це- лый комплекс мер безопасности передачи данных под общим назва- нием Wired Equivalent Privacy (WEP). Он включает средства противо- действия несанкционированному доступу к сети (механизмы и проце- дуры аутентификации), а также предотвращение перехвата информа- ции (шифрование).
Стандарт IEEE 802.11a. Является наиболее «широкополос- ным» из семейства стандартов 802.11, он предусматривает скорость передачи данных до 54 Мбит/с. В IEEE 802.11а каждый пакет переда- ется посредством 52 ортогональных несущих, каждая с шириной по- лосы порядка 300 кГц (20 МГц/64). Ширина одного канала 20 МГц.
Несущие модулируют посредством BPSK, QPSK, 16- и 64-

104 позиционной квадратурной амплитудной модуляции (QAM). В сово- купности 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.
В отличие от базового стандарта, ориентированного на область частот 2,4 ГГц, спецификациями 802.11а предусмотрена работа в диапазоне 5 ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ор- тогональное частотное мультиплексирование (OFDM). Наиболее су- щественное различие между этим методом и методами DSSS/FHSS заключается в том, что OFDM предполагает параллельную передачу полезного сигнала одновременно по нескольким частотам диапазона, в то время как технологии расширения спектра передают сигналы по- следовательно. В результате повышается пропускная способность ка- нала и качество сигнала.
Диапазон 5,1-5,9 ГГц хорош тем, что там гораздо проще найти широкую полосу для системы связи. В США для безлицензионной работы в этом диапазоне выделены полосы 5,15-5,35 и 5,725-5,825
ГГц – всего 300 МГц по сравнению с 83 МГц в диапазоне 2,4 ГГц.
Вместо трех неперекрывающихся каналов в диапазоне 2,4 ГГц для се- тей IEEE 802.l1b только в нижнем поддиапазоне 5,15-5,35 ГГц име- ются восемь неперекрывающихся каналов. Аналогичная ситуация в
Европе и в России (однако в нашей стране отсутствуют безлицензи- онные диапазоны) — в более высокочастотной области места больше.
В частности, если в Москве диапазон 2,4 ГГц занят операторами до- статочно давно, то область 5 ГГц ещетолько начинают осваивать, хо- тя свободных поддиапазонов там уже практически нет.
К недостаткам 802.11а относятся более высокая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а так же меньший ра- диус действия (оборудование для 2,4 ГГц может работать на расстоя- нии до 300м, а для 5ГГц - около 100м).
Стандарт IEEE 802.11b. Благодаря высокой скорости переда- чи данных (до 11 Мбит/с), практически эквивалентной пропускной способности обычных проводных ЛС Ethernet, а также ориентации на "освоенный" диапазон 2,4 ГГц, этот стандарт завоевал наибольшую

105 популярность у производителей оборудования для беспроводных се- тей.
Таблица 6 Скорость передачи данных в стандарте 802.11b
Стандарт передачи Скорость передачи данных
Вид модуляции
IEEE 802.11 1 Мбит/с
DBPSK
IEEE 802.11 2 Мбит/с
DQPSK
IEEE 802.11b
5,5 Мбит/с
CCK
IEEE 802.11b
11 Мбит/с
CCK
В окончательной редакции стандарт 802.11b, известный также как Wi-Fi (wireless fidelity), был принят в 1999 г. В качестве базовой радиотехнологии в нем используется метод DSSS с 8разрядными по- следовательностями Уолша.
Поскольку оборудование, работающее на максимальной скоро- сти 11 Мбит/с (табл. 6) имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматиче- ское понижение скорости при ухудшении качества сигнала. Средний радиус действия стандартных точек доступа 802.11b представлен в таблице 7:
Таблица 7 Средний радиус действия стандартных точек доступа 802.11b
Среда
Радиус действия
Открытая местность, зона прямой видимости около 300 м
Открытая местность с препятствиями до 100 м
Большой офис до 40 м
Жилой дом до 20 м

106
Указанные радиусы действия представляют собой средние зна- чения для стандартных точек доступа IEEE 802.11b. В зависимости от местных условий (много бетона или толстые стены) действительные значения радиуса действия могут оказаться существенно меньше.
Как и в случае базового стандарта 802.11, четкие механизмы ро- уминга спецификациями 802.11b не определены.
Спецификация IEEE 802.11d. Стремясь расширить географию распространения сетей стандарта 802.11, в данном стандарте IEEE разрабатывает универсальные требования к физическому уровню
802.11 (процедуры формирования каналов, псевдослучайные после- довательности частот, дополнительные параметры для MIB и т.д.).
Спецификация IEEE 802.11e. Спецификации стандарта 802.11е описывают правила создания мультисервисных беспроводных ЛС, ориентированных на различные категории пользователей, как корпо- ративных, так и индивидуальных. При сохранении полной совмести- мости с уже принятыми стандартами 802.11а и b, он позволяет рас- ширить их функциональность за счет поддержки потоковых мульти- медиа-данных и гарантированного качества услуг (QoS).
Спецификация IEEE 802.11f. Спецификации 802.11f описыва- ют протокол обмена служебной информацией между точками доступа
(Inter-Access Point Protocol, IAPP), что необходимо для построения распределенных беспроводных сетей передачи данных.
Спецификация IEEE 802.11g. Спецификации 802.11g представ- ляют собой развитие стандарта 802.11b и позволяют повысить ско- рость передачи данных в беспроводных ЛС до 11 - 54 Мбит/с (табл. 8) благодаря использованию более эффективных методов модуляции сигнала.