`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Что для вас является метрикой простоя серверной инфраструктуры?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Беспроводные локальные сети, или На волю в пампасы!

+22
голоса

Начиная с 80-х годов, когда объединение ПК, принтеров, серверов и других устройств в единую систему (локальную вычислительную сеть — ЛВС) использовалось, как правило, с целью разделения дискового пространства и дорогостоящей периферии, круг задач, решаемых ЛВС, претерпел радикальные изменения. Это обусловило распространение сетевых технологий практически во все сферы человеческой деятельности. Во многих случаях они являются базовой инфраструктурой, на которую эта деятельность опирается. Более того, по мере роста предприятий они все больше становятся зависимыми от своих сетей. Однако существуют обстоятельства, которые препятствуют разворачиванию кабельной инфраструктуры.

Высокоскоростные беспроводные локальные сети (Wireless LAN — WLAN) появились в конце 90-го года и сразу же предоставили привлекательную альтернативу существующим проводным сетям. Приведем некоторые данные. По оценкам западных специалистов, для проектирования и установки ЛВС, содержащей 30 рабочих станций, требуется около трех недель, в то время как беспроводная сеть разворачивается, фигурально, за пять минут. Далее, причиной более чем 35% всех проблем, которые возникают в ЛВС, использующей концентраторы и структурированную кабельную проводку (СКС), и 70% для ЛВС без концентраторов и СКС является кабельная проводка. Свыше 60% стоимости всех работ по реконфигурации ЛВС приходится на оплату труда, а перемещение одного узла для средней сети Ethernet на витой паре оценивается в S500. Кроме этого, существуют обстоятельства, при которых использование беспроводной технологии если не единственная, то, по крайней мере, весьма выгодная альтернатива. Многие небольшие и среднего размера сети разворачиваются и эксплуатируются без штатного персонала поддержки, и в этом случае беспроводные являются привлекательным решением. Некоторые организации, арендующие офис, не хотят вкладывать средства в инсталляцию СКС. В этой ситуации WLAN требуют одноразовой инвестиции и могут быть свернуты без финансовых потерь. И наконец, владелец сдаваемого в аренду помещения может быть против того, чтобы интерьер «украсила» даже структурированная кабельная система. Архитекторы прошлого не предвидели столь бурного развития информационных технологий и в результате спроектированные ими здания совершенно не приспособлены для прокладки кабеля — либо материалы слишком тверды, либо выполнение монтажных работ может быть связано с риском для здоровья. Старое здание, к тому же может быть памятником архитектуры и охраняться законом. Зачастую монтаж кабельной сети просто нецелесообразен, скажем, при создании временных рабочих групп, для проведения симпозиумов и т.п.

Особенно удобны беспроводные сети для пользователей, кто по роду своей деятельности должен быть мобилен. Они позволяют им свободно перемещаться по зданию с ноутбуком, оставаясь при этом постоянно подключенными к сети, имея возможность в любой момент прочитать или отправить сообщение по электронной почте, обратиться к электронным таблицам или базам данных. Хорошо интегрируются беспроводные сети и с вертикальными приложениями: склады, производственные помещения, медицинские системы контроля состояния пациента и ряд других приложений, связанных с мобильностью персонала или узлов сети. Можно привести еще много примеров, где единственным рациональным решением является разворачивание беспроводных локальных сетей. Следует, правда, заметить, что беспроводные сети в большинстве случаев не заменяют собой проводных сетей, а расширяют их.

До недавнего времени широкому распространению беспроводных сетей препятствовал ряд объективных причин. В их число входили относительно высокая стоимость одного порта, низкая полоса пропускания (до 2 Mbps), отсутствие стандартов и несовместимость с существующими сетями. Однако несколько последних разработок способны изменить отношение к беспроводным технологиям. Этому будут способствовать также недавно одобренный стандарт и выделенный спектр частот, что даст производителям возможность разрабатывать совместимые продукты и достичь более высокой пропускной способности.

Прежде чем переходить к более детальному изложению беспроводных сетевых технологий, приведем основную концепцию беспроводной связи вообще. Ее удачно сформулировал Томас Альва Эдисон, объясняя одной великосветской даме, в чем разница между телефоном и телеграфом (беспроволочным, конечно). «Представьте себе большую кошку, — говорил великий изобретатель, — хвост которой находится в Нью-Йорке, а голова — в Чикаго. Вы дергаете за хвост в Нью-Йорке, а голова мяукает в Чикаго. Это телефон. Так вот, телеграф — это то же самое, только без кошки».

Еще одно замечание общего характера. В настоящее время в зависимости от масштаба различают три основных типа беспроводных сетей: глобальные, сети масштаба городка (кампуса) и локальные вычислительные сети. Как, наверное, уже стало понятным, предметом нашего рассмотрения является последний тип сетей. Отметим также, что везде ниже речь будет идти о сетях Ethernet, хотя существует оборудование и для организации беспроводных сетей Token Ring. В обзоре не затрагиваются инфракрасные сети, поскольку эта тема уже освещалась в еженедельнике ранее.

ТОПОЛОГИЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ

Беспроводные локальные сети или на волю в пампасы!

О топологии беспроводных сетей можно говорить весьма условно, так как отсутствует наглядная структура, реализующая геометрию связей. Тем не менее, проведем некоторые аналогии. WLAN строятся с помощью устройств трех типов: беспроводных сетевых адаптеров, узлов доступа (access points) -устройств, осуществляющих связь между беспроводными адаптерами и проводной ЛВС, и радиомостов. В соответствии с этим беспроводные сети можно условно разделить на три группы:

  • сети, объединяющие радиоволнами пользователей, находящихся в пределах одного здания;

  • проводные сети, к которым мобильные пользователи подключаются с помощью узлов доступа;

  • кабельные сегменты, находящиеся в разных зданиях и объединенные в сеть с помощью радиомостов.

Наиболее естественна для технологии Ethernet топология все-со-всеми (рис.1), при которой окружающее пространство служит разделяемой средой передачи.

Беспроводные локальные сети или на волю в пампасы!

Механизм обработки коллизий работает примерно так же, как и в кабельной сети с шинной топологией. Для организации такой конфигурации в каждый из компьютеров, объединяемых в сеть, устанавливается беспроводной сетевой адаптер, обычно снабженный всенаправленной антенной. Радиус действия таких адаптеров сильно зависит от используемого частотного диапазона, особенностей помещения и от производителя. Для оценки укажем, что расстояние по линии прямой видимости вне помещения может достигать 300 м. Для связи такого беспроводного сегмента или одиночного пользователя с кабельной сетью применяется устройство доступа (рис. 2). Им может быть либо специально разработанное устройство, либо обычный компьютер (с соответствующим программным обеспечением), в котором устанавливаются два сетевых адаптера — обычный и беспроводной. В функции такого устройства входит отбор из потока сообщений тех, которые предназначены для проводного сегмента.

Беспроводные локальные сети или на волю в пампасы!

Пример топологии типа точка-точка приведен на рис. 3, где два обычных сегмента Ethernet связаны беспроводными мостами. Они обычно оборудуются направленными антеннами, поэтому требуют прямой видимости. Дальность связи может достигать 40 км. Однако ограничения на расстояние и требование прямой видимости можно обойти, если установить на линии распространения сигнала репитеры.

Беспроводные локальные сети или на волю в пампасы!

Несколько кабельных сегментов Ethernet можно объединить в сеть более сложной конфигурации, имеющей топологию типа звезда (рис. 4). Ее реализация может быть выполнена как на программном, так и на аппаратном уровне. В первом случае сеть строится с помощью установки необходимого количества беспроводных мостов, каждый из которых связан с центральным узлом по схеме точка-точка. Во втором случае используются специализированные устройства, которые поддерживают только данную топологию, например с помощью соответствующего firmware. Эксплуатировать такие устройства, конечно, легче, но они, как правило имеют меньший радиус действия по сравнению с обычными радиомостами, и такая сеть обходится дороже.

СТАНОВЛЕНИЕ СТАНДАРТА

Первое поколение беспроводных локальных сетей работало в безлицензионном диапазоне 928 MHz, используемом пейджинговой связью и беспроводными телефонами. Однако узость диапазона и интенсивное использование его другими средствами связи вскоре стали серьезно влиять на работу сетей. После выделения для беспроводных сетей диапазона 2,4 GHz производители сетевого оборудования стали переключаться на него.

Разработка стандарта IEEE 802.11 для беспроводных локальных сетей была мучительно долгой. Рабочая группа 802.11 была создана в конце 1985 г. Перед ней была поставлена цель разработать стандарт для беспроводных коммуникаций, сфокусированный, в основном, на приложения для мобильных пользователей и обеспечивающий взаимодействие между различными аппаратными и программными платформами (интероперабельность). То ли сама технология не всех устроила, то ли дело откладывали в долгий ящик, по причине его неактуальности в начале 90-х, но стандарт был принят лишь в июне 1997 г.

Стандарт 802.11 обеспечивает функционирование беспроводной связи стационарных, портативных, мобильных станций и включает специфика двух уровней — физического и канального. Для уровня управления доступом к среде (Medium Access Control — MAC) в полосе частот 2,4-2,483 GHz и скоростей передачи данных 1 и 2 Mbps (входящий в стандарт инфракрасный диапазон мы не рассматриваем). Стандарт не предъявляет требований к технологии их реализации, что позволяет различным производителям разрабатывать интероперабельное сетевое оборудование. Он определяет протокол для двух основных топологий. В одной рабочие станции связываются с магистральной сетью посредством узлов доступа, в другой — группа рабочих станций обменивается информацией друг с другом непосредственно. Стандарт поддерживает станции, движущиеся со скоростью пешехода или велосипедиста.

Группа 802.11 обеспечила совместимость нового стандарта с существующими серии 802, а также выработала ряд документов по специфичным для беспроводных сетей проблемам, таким как источники питания, ограниченный частотный диапазон и безопасность.

ТЕХНОЛОГИЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ

Структура

Напомним, что сетевая технология характеризуется двумя нижними уровнями в эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI — физическим и канальным. Физический уровень определяет способ модуляции и сигналы управления для передачи данных. В диапазоне 2,4 GHz стандарт 802.11 на физическом уровне описывает два различных метода передачи (модуляции) радиосигнала с расширением спектра: метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum — DSSS) и со скачущей перестройкой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum — FHSS). Выражение «spread spectrum» переводится в русскоязычной литературе по-разному: распределенный спектр, размытый спектр, расширенный спектр. Мы будем пользоваться последним. Сам термин «расширенный спектр» означает, что для кодирования сигнала используется более широкий частотный диапазон, чем это необходимо. Такой метод модуляции повышает помехоустойчивость и защиту передаваемых данных.

Стандарт 802.11 определяет единый протокол МАС-уровня для обоих вышеупомянутых физических уровней. Интересно отметить, что принятие существующего протокола МАС-уровня сопровождалось длительными дебатами и различного рода компромиссами. Протокол состоит из нескольких функциональных блоков, которые определяют механизмы конкуренции за доступ к среде передачи для имеющихся физических уровней. МАС-протокол не зависит от скорости передачи данных или каких-либо физических характеристик.

Метод прямой последовательности

В методе прямой последовательности сигнал, несущий данные, модулируется 11-битовой последовательностью Баркера (Barker). Избыточные биты называются чипами (chips).

На рис. 5 показано, как два информационных бита со значениями 1 и 0 модулируются 10-битовыми последовательностями более высокой частоты (вот оно — расширение спектра). Использование 10-битовой последовательности получило широкое распространение в Соединенных Штатах Америки.

Беспроводные локальные сети или на волю в пампасы!

Название «прямая последовательность» обязано тому, что процесс расширения применяется непосредственно к каждому биту информации. Каждый DSSS-приемник должен знать код расширения спектра. Различные коды позволяют нескольким DSSS-передатчикам работать в одном диапазоне без взаимных помех. Получив весь сигнал данных, приемник использует коррелятор для удаления чипов и формирования сигнала исходного размера. Метод DSSS позволяет передавать данные со скоростями 1 и 2 Mbps. В первом случае используется

дифференциальная двоичная фазовая модуляция (Differential Binary Phase Shift Keying — DBPSK), во втором -дифференциальная квадратурно-фазовая модуляция (Differential Quadrature Phase Shift Keying — DQPSK). Весь диапазон делится на пять перекрывающихся 26-мегагерцевых поддиапазонов, которые центрируются на частотах 2,412, 2,427, 2,442, 2,457 и 2,470 GHz. Эта схема используется для предотвращения интерференции и избирательного замирания.

Основной недостаток метода прямой последовательности заключается в том, что реализующая его аппаратура потребляет в два-три раза больше энергии, чем аналогичная для метода скачущей частоты. Правда, DSSS более устойчив к помехам, возникающим из-за многократных отражений радиоволн от окружающих предметов, зато хуже противостоит помехам большой мощности.

Метод скачущего переключения частоты Этот метод состоит в том, что передатчик и приемник переключаются на узкополосные несущие разной частоты в определенной последовательности, которая кажется случайной. Метод FHSS позволяет передавать данные со скоростью 1 Mbps, используя в качестве схемы модуляции двухуровневое гауссово переключение частот (2-level Gaussian Frequency Shift Keying — GFSK).

Схема предусматривает разделение выделенной полосы частот на 79 поддиапазонов, каждый шириной 1 MHz. Обычно существуют три набора из 22 частот, при этом минимальная частота переключений должна составлять 2,5 скачка в секунду. Это значение выбирается с таким расчетом, чтобы за время работы на одной из несущих частот можно было передать один пакет и в случае искажения пакета повторить его передачу на втором скачке.

Системы со скачущим переключением частоты более пригодны для применения в портативных устройствах, так как потребляют меньше энергии и стоят дешевле. Однако им приходится чаще заново повторять передачу пакетов в связи с плохой устойчивостью к помехам, вызванным многократными отражениями сигналов.

Управление доступом к среде

Протокол канального уровня стандарта 802.11 использует схему,известную как Carrier Sense Multiple Access • Collision Avoidance (CSMA/CA) или множесвенный доступ с контролем несущей и избежание коллизий. Она очень похожа на спецификации МАС-уровня для стандарта Ethernet 802.3. Либо взамен определения столкновений протокол предусматривает их предотвращение. При передачи данных в радиочастотном диапазоне это сделать легче. МАС-уровень привлекает к своей работе физический уровень, оценивая значение энергии в передающей среде. Чтобы определить, свободен ли канал, физический уровень использует алгоритм CCA (Clear Channel Assessment — оценка незанятости канала). Это обеспечивается измерением энергии принимаемого радиосигнала в антенне. Если мощность принятого сигнала не превышает определенного порогового значения, то канал остается свободным и МАС-уровень устанавливает соответствующий статус канала. В противном случае канал объявляется занятым.

Для определения занятости канала может быть использован также контроль несущей. Эта технология более избирательна, так как она выполняет проверку на определенной частоте. Какой из методотов пользовать лучше, зависит от уровня интерференции в среде передачи.

Протокол CSMA/CA имеет опции, позволяю минимизировать коллизии посредством послед тельной передачи пакетов RTS (Request То Send, запрос на передачу), CTS (ClearТоSend — установка в состояние передачи), данных и ACK (ACK ledge — подтверждение приема). Алгоритм работает следующим образом. Связь устанавливается, к один из беспроводных узлов посылает короткий пакет RTS. Он включает адрес получателя и другие сообщения. Длительность сообщения носит название NAV (Network Allocation Vector вектор определения сети). Пакет NAV является сигналом остальных станций отложить передачу. Станция получатель передает пакет CTS, который в качестве содержит адрес станции-отправителя и NAV. пакет не получен, то это интерпретируется как коллизия, и процесс установки связи повторяется, далее передается пакет данных, и станция-получатель подтверждает успешный прием сигналом ACK.

Безопасность данных обеспечивается метод шифрования, известным как Wired Equivalent Protocol algorithm (WEP), который использует 64-битовый ключ и алгоритм кодирования RC4. Протокол уровня обеспечивает также управление питанием портативных клиентов.

В заключение следует отметить, что аналитики предсказывают стремительное развитие индустрии беспроводных сетей в связи с растущей популярностью мобильных и портативных вычислений считают, что эта технология вскоре позволит мобильным клиентам «блуждать» не только в пределах здания или городка, но и совершать глобальные перемещения.

+22
голоса

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT