Компьютерные сети

На управляемом интервале реализуется централизованный метод доступа PCF. Арбитр выполняет процедуру опроса, чтобы по очереди предоставить каждой такой станции право на использование среды, направляя ей специальный кадр. Станция, получив такой кадр, может ответить другим кадром, который подтверждает прием специального кадра и одновременно передает данные (либо по адресу арбитра для транзитной передачи, либо непосредственно станции).

Для того чтобы какая-то доля среды всегда доставалась асинхронному трафику, длительность контролируемого периода ограничена. После его окончания арбитр передает соответствующий кадр, и начинается неконтролируемый период.
Каждая станция может работать в режиме PCF, для этого она должна подписаться на эту услугу при присоединении к сети.
Безопасность

Разработчики стандарта IEEE 802.11 поставили перед собой цель — обеспечить такую безопасность передачи данных по беспроводной локальной сети, которая была бы эквивалентна безопасности передачи данных по проводной локальной сети, например Ethernet.

Можно заметить, что в технологии проводной локальной сети Ethernet нет каких-то особых мер обеспечения безопасности данных. В стандартах Ethernet отсутствует аутентификация пользователей или шифрование данных. Тем не менее проводные сети лучше защищены от несанкционированного доступа и нарушения конфиденциальности данных, чем беспроводные — только потому, что они являются проводными. Действительно, для того чтобы получить доступ к проводной сети, злоумышленник должен к ней физически присоединиться. Для этого ему нужно каким-то образом попасть в помещение, где имеются розетки, и присоединить свой компьютер к одной из них. Такое действие можно заметить и пресечь (хотя возможности для несанкционированного доступа к проводной сети все равно остаются).

В беспроводной сети несанкционированный доступ можно осуществить гораздо проще, достаточно оказаться в зоне распространения радиоволн этой сети. Для этого можно даже не входить в здание, где развернута сеть. Физическое подключение к среде в этом случае также не требуется, так что посетитель может принимать данные, не производя подозрительных действий, а просто имея работающий ноутбук в своей сумке.

В стандарте 802.11 предусмотрены средства обеспечения безопасности, которые повышают защищенность беспроводной локальной сети до уровня обычной проводной локальной сети. Поэтому основной протокол защиты данных в сетях 802.11 так и называется — WEP (Wired Equivalent Privacy — секретность, эквивалентная проводной). Он предоставляет возможность шифровать данные, передаваемые через беспроводную среду, и тем самым обеспечивает их конфиденциальность. Технология 802.11 предлагает еще один механизм безопасности — аутентификацию — доказательство легальности пользователя, подключающегося к сети. Однако несовершенство средств безопасности 802.11 делают их популярной мишенью для критиков. Например, исследуя зашифрованный трафик 802.11, взломщик может расшифровать информацию в течение 24 часов.

Для разработки более защищенного варианта беспроводных локальных сетей была создана рабочая группа 802.1 li. В 2003 году консорциум Wi-Fi Alliance выпустил спецификацию под названием WPA (Wi-Fi Protected Access — защищенный доступ к Wi-Fi), которая представляла собой промежуточный неокончательный вариант стандарта 802.1 li. В результате окончательный вариант стандарта 802.1 li, одобренный в 2004 году, получил неофициальное название WPA2. Стандарт WPA2 описывает надежное средство защиты беспроводных локальных сетей, сочетающее в себе наиболее совершенные средства аутентификации пользователей и шифрования данных, применимые в компьютерных сетях. Поддержка протокола WPA2 является необходимым условием сертификации оборудования консорциумом Wi-Fi Alliance.

Физические уровни стандарта 802.11

С момента принятия первой версии стандарта 802.11 в 1997 году одной из главных проблем, над которой работали специалисты, занимающиеся развитием беспроводных локальных сетей, была проблема повышения скорости передачи данных, чтобы приложения, хорошо работающие в проводных сетях, при переходе на беспроводную связь значительно не деградировали. Актуальность проблемы подчеркивает также тот факт, что пропускная способность беспроводной'сети всегда разделяется между всеми пользователями этой сети, в то время как проводные сети уже ушли от разделяемой среды.

Другой немаловажной проблемой является выбранный диапазон частот радиоспектра. В соответствии с рекомендациями ITU диапазоны 2,4,3,6 и 5 ГГц отведены для беспроводной передачи данных, при этом лицензирование этих диапазонов не рекомендуется. В разных странах существуют различные правила выбора этих диапазонов (причем правила для каждого из диапазонов могут быть разными), от свободного использования до обычного лицензирования. Помимо беспроводных локальных сетей в этих диапазонах могут работать и другие типы устройств, например любительское радио или беспроводные сети городов. В США диапазон 3,6 ГГц сравнительно недавно был отведен для беспроводных локальных сетей, в то время как в Европе он уже в течение ряда лет выделен для беспроводных сетей городов, работающих по стандарту IEEE 802.16

48
(WiMAX).
Физические уровни стандарта 802.11 1997 года
В1997 году комитетом 802.11 был принят стандарт, который определял функции уровня MAC вместе с тремя вариантами физического уровня, которые обеспечивают передачу данных со скоростями 1 и 2 Мбит/с.

□ В первом варианте средой являются инфракрасные волны диапазона 850 нм, которые генерируются либо полупроводниковым лазерным диодом, либо светодиодом (LED). Так как инфракрасные волны не проникают через стены, область покрытия LAN ограничивается зоной прямой видимости. Стандарт предусматривает три варианта распространения излуч^нця: ненаправленную антенну, отражение от потолка и фокусное направленное излучение. В первом случае узкий луч рассеивается с помощью системы линз. Фокусное направленное излучение предназначено для организации двухточечной связи, например между двумя зданиями.

□ Во втором варианте в качестве передающей среды используется микроволновый диапазон 2,4 ГГц. Этот вариант основан на методе FHSS (см. главу 10). В методе FHSS каждый узкий канал имеет ширину 1 МГц. Частотная манипуляция (FSK) с двумя состояниями сигнала (частотами) дает скорость 1 Мбит/с, с четырьмя состояниями — 2 Мбит/с. В случае FHSS сеть может состоять из сот, причем для исключения взаимного влияния в соседних сотах могут применяться ортогональные последовательности частот. Количество каналов и частота переключения между каналами настраиваются, так что при развертывании беспроводной локальной сети можно учитывать особенности регулирования спектра частот конкретной страны.

□ Третий вариант, в котором используется тот же микроволновый диапазон, основан на методе DSSS, где в качестве последовательности чипов применяется 11-битный код 10110111000. Каждый бит кодируется путем двоичной фазовой (1 Мбит/с) или квадратурной фазовой (2 Мбит/с) манипуляции.
Физические уровни стандартов 802.11а и 802.11b
В 1999 году были приняты два варианта стандарта физического уровня: 802.11а и 802.11b, заменяющие спецификации физического уровня 802.11 редакции 1997.

В спецификации 802.11b института IEEE по-прежнему йсподьзуется диапазон 2,4 ГГц. Для повышения скорости до 11 Мбит/с, которая сопоставима со скоростью классического стандарта Ethernet, здесь применяется более эффективный вариант метода DSSS, опирающийся на технику Complementary Code Keying (ССК), заменившую коды Баркера.

Однако диапазон 2,4 ГГц с шириной полосы примерно в 80 МГц используется стандартом 802.11b отличным от стандарта 1997 года способом. Этот диапазон разбит на 14 каналов, каждый из которых, кроме последнего, отстоит от соседей на 5 МГц (рис. 12.20).
Канал 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Частота, 2.412 2,417 2.422 2.427 2.432 2.437 2,442 2.447 2,452 2,457 2,462 2,467 2,472 2,482

Для передачи данных согласно стандарту 802.11b используется полоса частот шириной в 22 МГц, поэтому одного канала шириной в 5 МГц оказывается недостаточно, приходится объединять несколько соседних каналов. Для того чтобы гарантировать некоторый минимум взаимных помех, возникающих от передатчиков, работающих в диапазоне 2,4 ГГц, комитет 802.11 определил так называемую спектральную маску, определяющую разрешенный спектр мощности передатчика, работающего в каком-либо из каналов. Это спектр должен затухать не меньше чем на 30 дБ на расстоянии И МГц от центра канала, что и создает укрупненную полосу шириной в 22 МГц с центром в некотором из 14 каналов.

В результате одновременно в одной и той же области покрытия могут работать несколько независимых беспроводных сетей стандарта 802.11b. На рис. 12.20 показан вариант для трех сетей, использующих каналы 1, 6 и 11. Такое использование каналов типично для

США, где частотные каналы 12, 13 и 14 для сетей стандарта 802.11 не разрешены. В Европе в конце 90-х годов действовали более жесткие ограничения, например, в Испании были разрешены только каналы 10 и 11, а во Франции — только каналы 10,11,12 и 13, но постепенно эти ограничения были сняты, и сейчас лишь канал 14 в большинстве стран по-прежнему не задействован. Таким образом, в странах Европы максимальное количество независимых сетей, работающих в одной области покрытия, достигает 4; обычно они используют каналы 1,5,9 и 13.

Оборудование стандарта 802.1 lb может конфигурироваться для любого из 14 каналов диапазона 2,4 ГГц, так что при возникновении помех на определенном канале можно перейти на другой.

Спецификация 802.11а обеспечивает повышение скорости передачи данных за счет использования полосы частот шириной 300 МГц из диапазона частот 5 ГГц. Так как полоса частот, отведенная для беспроводных локальных сетей, в этом диапазоне шире, то и количество каналов шириной в 5 МГц здесь больше, чем в диапазоне 2,4 ГГц — в зависимости от правил регулирования конкретной страны их может быть 48 и более. Для передачи данных в технологии задействована полоса частот шириной 20 МГц, что дает возможность иметь 12 и более независимых сетей в одной области покрытия.

Для кодирования данных в стандарте 802.11а используется техника ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM). Данные первоначально кодируются на 52 первичных несущих частотах методом BPSK, QPSK, 16-QAM или 64-QAM, а затем сворачиваются в общий сигнал с шириной спектра в 20 МГц. Скорость передачи данных в зависимости от метода кодирования первичной несущей частоты составляет 6,9,12,18,24,36,48 или 54 Мбит/с.

Диапазон 5 ГГц в спецификации 802.11а пока меньше «населен» и предоставляет больше частотных каналов для передачи данных. Однако его использование связано с несколькими проблемами. Во-первых, оборудование для этих частот пока еще слишком дорогое, во-вторых, в некоторых странах частоты этого диапазона подлежат лицензированию, в-третьих, волны этого диапазона хуже проходят через препятствия.
Физический уровень стандарта 802.11д

Стандарт 802.1 lg для физического уровня разработан рабочей группой института IEEE летом 2003 года. Он быстро завоевал популярность, так как обеспечивал те же скорости, что и стандарт 802.1а, то есть до 54 Мбит/с, но в диапазоне 2,4 ГГц, то есть в том диапазоне, где до этого удавалось достигать максимальной скорости в 11 Мбит/с на оборудовании стандарта 802.11b. В то же время стоимость оборудования стандарта 802. lg достаточно быстро стала соизмеримой со стоимостью оборудования стандарта 802.11b, что и стало причиной роста популярности новой спецификации. В ней, так же как и в спецификации 802.11а, используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). До некоторого времени в США в диапазоне 2,4 ГГц разрешалось применять только технику расширения спектра, такую как FSSS или DSSS. Снятие этого ограничения дало импульс разработкам, в результате появилась новая высокоскоростная беспроводная технология для этого диапазона^&етот. Для обратной совместимости со стандартом 802.1 lb поддерживается также техника ССК.

рОДегр сетй ^андарг$ $$2,11 зависитда |йнр1^х ррршйвтрой, в том числе, от используемого |иапазона частоу. Обычно диаметр беспроводной локальной сети находится в пределахот 100 до300 м вне помещений и отЗО до 40 м внутри помещений.
В 2007 году стандарты 802.11а и 802.1 lb были сведены в новую редакцию стандарта 802.11-2007, где каждому из них отведен соответствующий раздел.
Физический уровень стандарта 802.11п

Стандарт 802.In, работы над которым были начаты еще в 2004 году, на момент написания этой книги еще не был окончательно утвержден, хотя такое событие ожидалось уже к концу 2008 года, затем было отложено до конца 2009 года, а теперь согласно последним сведениям перенесено на начало 2010.
Тем не менее оборудование «рге-N» в соответствии с версией 2 проекта стандарта 802.1 In появилось на рынке в конце 2006 года, а с начала 2007 года консорциум Wi-Fi Alliance начал его сертификацию.

Основной особенностью стандарта 802.1 In является дальнейшее повышение скорости передачи данных (до 300 Мбит/с и выше). Оборудование стандарта 802.1 In может работать как в диапазоне 5 ГГц, так и в диапазоне 2,4 ГГц, хотя рекомендуемым диапазоном является диапазон 5 ГГц благодаря большему числу доступных каналов и меньшей интерференции с многочисленным оборудованием, работающим сегодня в диапазоне 2,4 ГГц.

Для достижения высоких скоростей в технологии 802.1 In применено несколько новых механизмов.

□ Улучшенное кодирование OFDM и сдвоенные частотные каналы. Вместо каналов с полосой в 20 МГц, которые использовались в технологиях 802.11а и 802.1 lg, в технологии 802.1 In применены каналы с полосой 40 МГц (для обратной совместимости допускается также работать с каналами 20 МГц). Само по себе расширение полосы в два раза должно приводить к повышению битовой скорости в два раза, но выигрыш здесь больше за счет усовершенствований в кодировании OFDM: вместо 52 первичных несущих частот на полосу в 20 МГц здесь используется 57 таких частот, а на полосу в 40 МГц соответственно 114. Это приводит к повышению битовой скорости с 54 до 65 Мбит/с для каналов 20 МГц и до 135 Мбит/с для каналов 40 МГц.

□ Уменьшение межсимвольного интервала. Для надежного распознавания кодовых символов в технологиях 80.1 la/g используется межсимвольный интервал в 800 нс. Технология 802.1 In позволяет передавать данные с таким же межсимвольным интервалом, а также с межсимвольным интервалом в 400 нс, что повышает битовую скорость для каналов 40 МГц до 150 Мбит/с.

□ Применение техники MIMO (Multiple Input Multiple Output — множественные входы и выходы). Эта техника основана на использовании одним сетевым адаптером нескольких антенн с целью лучшего распознавания сигнала, пришедшего к приемнику разными путями. Обычно из-за таких эффектов распространения радиоволн, как отражение, дифракция и рассеивание, приемник получает несколько сигналов, дошедших от передатчика по разным физическим путям и имеющим, следовательно, сдвиг по фазе. До введения техники MIMO такие явления считались негативными и с ними боролись путем применения нескольких (обычно двух) антенн, из которых в каждый момент времени использовалась только одна — та, которая принимала сигнал лучшего качества. Техника MIMO принципиально изменила отношение к сигналам, пришедшим разными путями, — эти сигналы комбинируются и путем цифровой обработки из них восстанавливается исходный сигнал.

Техника MIMO не только способствует улучшению соотношения сигнал/помеха. Благодаря возможности обрабатывать сигналы, пришедшие разными путями, для создания избыточного сигнала для каждого потока можно передавать с помощью нескольких антенн несколько независимых потоков данных (обычно их число меньше, чем число антенн). Эта способность систем MIMO называется пространственным мультиплексированием (spatial multiplexing). Для систем MIMO принято использовать обозначение:
TxR.S.

Здесь Т — количество передающих антенн узла, R — количество принимающих антенн узла, а 5 — количество потоков данных, которые пространственно мультиплексируются. Типичной системой MIMO в выпускаемом в 2009 году оборудовании стандарта 802.1 In является система 3 х 3:2, то есть система с тремя передающими и тремя принимающими антеннами, которая позволяет передавать два независимых потока данных. Система MIMO 3x3:2 обеспечивает повышение битовой скорости в два раза, то есть до 300 Мбит/с для каналов 40 МГц.

Проект стандарта 802.11 предусматривает различные варианты системы MIMO вплоть до 4x4:4, что позволило бы повысить битовую скорость до 600 Мбит/с.

Помимо усовершенствований физического уровня, стандарт 802.1 In вводит одно усовершенствование на уровне MAC — это возможность агрегирования нескольких кадров данных в один кадр. Такая техника повышает эффективность передачи пользовательских данных при той же битовой скорости протокола за счет сокращения накладных расходов на шифрование отдельных кадров и на их индивидуальное подтверждение положительными квитанциями со случайными паузами между передачей кадров. Кроме того, для мультимедийных приложений допускается уменьшение интервала DIFS при передаче длительной пульсации трафика.

Персональные сети и технология Bluetooth
Особенности персональных сетей
flepoonaiibiibieoetM (Personal Area Network, PAN) предназначены для взаимодействия устройств, одномувладельцу, на небольшом расстояний, обычно в радйусе Ю м. Тёкйми устройствами могут быть ноутбук, мобильный телефон, принтер, карманный компьютер (Personal Digital Assistant* PDA), телевизор, а также многочисленные бытовые приборы, например холодильник*

Персональные сети предназначены для соединения устройств, принадлежащих, как правило, одному пользователю, на небольших расстояниях. Типичным примером PAN является беспроводнре соединение компьютера с периферийными устройствами, такими как принтер, наушники, мышь, клавиатура и т. п. Мобильные телефоны также используют технологию PAN для соединения со своей периферией (чаще всего это наушники), а также с компьютером своего владельца. Некоторые марки наручных часов стали поддерживать технологию PAN, превращаясь в универсальные устройства с функциями PDA.

Персональные сети должны обеспечивать как фиксированный доступ, например, в пределах дома, так и мобильный, когда владелец устройств PAN перемещается вместе с ними между помещениями или городами.
Персональные сети во многом похожи на локальные, но у них есть и свои особенности.

□ Многие из устройств, которые могут входить в персональную сеть, гораздо проще, чем традиционный узел LAN — компьютер. Кроме того, такие устройства обычно имеют небольшие габариты и стоимость. Поэтому стандарты PAN должны учитывать, что их реализация должна приводить к недорогим решениям, потребляющим небольшую энергию.
□ Область покрытия PAN меньше области покрытия LAN, узлы PAN часто находятся на расстоянии нескольких метров друг от друга.

□ Высокие требования к безопасности. Персональные устройства, путешествуя вместе со своим владельцем, попадают в различное окружение. Иногда они должны взаимодействовать с устройствами других персональных сетей, например, если их владелец встретил на улице своего знакомого и решил переписать из его устройства PDA в свое несколько адресов общих знакомых. В других случаях такое взаимодействие явно нежелательно, так как может привести к утечке конфиденциальной информации. Поэтому протоколы PAN должны обеспечивать разнообразные методы аутентификации устройств и шифрования данных в мобильной обстановке.

□ При соединении малогабаритных устройств между собой желание избавиться от кабелей проявляется гораздо сильнее, чем при соединении компьютера с принтером или концентратором. Из-за этого персональные сети в гораздо большей степени, чем локальные, тяготеют к беспроводным решениям.

□ Если человек постоянно носит устройство PAN с собой и на себе, то оно не должно причинять вред его здоровью. Поэтому такое устройство должно излучать сигналы небольшой мощности, желательно не более 100 мВт (обычный сотовый телефон излучает сигналы мощностью от 600 мВт до 3 Вт).
Сегодня самой популярной технологией PAN является Bluetooth, которая обеспечивает взаимодействие 8 устройств в разделяемой среде диапазона 2,4 МГц со скоростью передачи данных до 723 Кбит/с.
Архитектура Bluetooth

Все материалы, размещенные в боте и канале, получены из открытых источников сети Интернет, либо присланы пользователями  бота. 
Все права на тексты книг принадлежат их авторам и владельцам. Тексты книг предоставлены исключительно для ознакомления. Администрация бота не несет ответственности за материалы, расположенные здесь