Wi-Fi

Впервые технология Wi-Fi была сертифицирована двадцать лет назад, когда Международный институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) сформировал рабочую группу по стандартам для беспроводных локальных сетей 802.11. В прошлом году (20.09.2010) рабочая группа 802.11 торжественно отпраздновала 20-летний юбилей стандарта [4]. В 1999 г. была создана независимая международная организация Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), куда вошли ведущие мировые производители оборудования для беспроводной связи. В настоящее время членами WECA являются около 100 компаний, в числе которых Cisco, Alcatel-Lucent, 3Com, IBM, Intel, Apple, Compaq, Dell, Fujitsu, Siemens, Sony, AMD и др. Эксперты этой организации тестируют различные Fi-Wi-устройства и гарантируют их совместимость с оборудованием, выпускаемым другими фирмами — участниками альянса.

Стандарт 802.11 — первая редакция

В 1997 г. была принята первая спецификация Wi-Fi — 802.11. В стандарте 802.11 регламентируется работа оборудования на центральной частоте 2,4 ГГц с  максимальной скоростью до 2 Мбит/с. В базовом варианте стандарта 802.11 используется метод расширения спектра Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS). Опционно может применяться также метод Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS).

Для модуляции сигнала  используется технология Gaussian Frequency Shift Keying. Как правило, когда задействован метод FHSS, полоса делится на 79 каналов по 1 МГц (хотя встречается оборудование и с другим способом разбиения частотного диапазона). Отправитель и получатель согласовывают схему переключения каналов, и данные посылаются последовательно по различным каналам с использованием выбранной схемы.

Следует особо подчеркнуть, что в стандартах 802.11ххх регламентируется архитектура сети и самих устройств, описываются основные семь уровней  модели и протоколы их взаимодействия. Стандарт задает базовую частоту, а  также методы модуляции и расширения спектра на физическом уровне. Так, например, в стандарте 802.11 заданы центральная частота 2,4 ГГц и метод модуляции FHSS PHY. Кроме того, первоначальный вариант стандарта 802.11 описывал передачу данных в инфракрасном диапазоне. Полоса частот и подчастоты для устройств стандарта 802.11 выделяются и регламентируются в каждой конкретной стране уполномоченным на то правительственным органом. Также местным законодательством регламентируются правила эксплуатации самих устройств, их мощность, разбиение частотного диапазона, мощности передатчика и другие характерные особенности. В нашей стране таким органом является Министерство связи и массовых коммуникаций Российской Федерации. В последнем нормативном документе этого министерства прописано, что в РФ разрешена эксплуатация всех вариантов стандартов 802.11 (a, b, g, n) на всех базовых частотах [5]. Основные параметры стандарта 802.11 в соответствии с действующими нормативными документами РФ приведены в таблице 1

Таблица 1. Основные параметры стандарта IEEE 802.11 (в соответствии с действующими нормативами РФ)

Различные стандарты  семейства IEEE 802 строго регламентируют два нижних уровня модели OSI — физический и канальный, которые характеризуют особенности конкретных локальных сетей. Верхние уровни совпадают по своей структуре как для беспроводных, так и для проводных локальных сетей. Как и все стандарты этого семейства, Fi-Wi 802.11 работает на нижних двух уровнях модели ISO/OSI, физическом и канальном . Поэтому сетевые приложения и сетевые протоколы, которые работают в сети Ethernet (стандарт 802.3), такие, например, как TCP/IP, могут аналогичным образом использоваться и в Wi-Fi-сетях 802.11. Иными словами, если есть некий Ethernet-роутер с несколькими входами, то для сети безразлично, будет ли к нему подключено проводное устройство стандарта 802.3 или беспроводное Wi-Fi-устройство стандарта 802.11: все периферийные устройства будут видеть друг друга и правильно взаимодействовать.

Отличительные особенности  различных локальных сетей отражены в разделении канального уровня (Data Link Layer) на два подуровня: «уровень логической передачи данных Logical Link Control, LLC» и «уровень управления доступом к среде Media Access Control, MAC». Уровень MAC обеспечивает корректное совместное использование общей среды. После получения доступа к среде ею может пользоваться более высокий уровень LLC, который реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы. Поэтому каждый протокол уровня MAC может применяться с любым протоколом уровня LLC, и наоборот.

В стандарте 802.11 MAC похож  на уровень, реализованный в 802.3 для Ethernet-сетей. Принципиальное отличие  заключается в том, что в 802.11 применяется  полудуплексный режим приемопередачи, не позволяющий обнаружить коллизию во время сеанса связи. Для согласования МАС-уровней в стандарте 802.11 используется специальный протокол Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), или Distributed Coordination Function (DCF). В этом случае CSMA/CA не допускает коллизий, контролируя подтверждение того, что пакет (ACK) получен неповрежденным.

Кроме того, MAC-уровень 802.11 поддерживает два режима потребления  энергии — «режим продолжительной  работы» и «сберегающий». В спящем режиме оборудование периодически включается через определенные промежутки времени для приема «маячковых» сигналов, которые постоянно посылает точка доступа. Эти сигналы включают в себя также адрес станции, которая должна принять данные. Из других особенностей МАС 802.11 следует отметить функцию динамического подключения и переподключения. Клиент 802.11 в зоне действия одной или нескольких точек доступа может выбрать ту, сигнал от которой лучше. Если такая точка обнаруживается, станция автоматически перенастраивается на ее частоту.

Для поддержки потокового видео в МАС 802.11 реализована функция Point Coordination Function (PCF). В режиме PCF только точка доступа управляет передачей данных по конкретному каналу. В этом случае она опрашивает все станции, и на каждую из них выделяется фиксированный промежуток времени. Ни одна из других станций не может передавать в этот период. Каждая точка доступа имеет свой уникальный ESS ID (WLAN Service Area ID), который необходим для установки соединения.

На МАС-уровне предусмотрен контроль доступа и его ограничение. Поэтому точка доступа может работать в следующих режимах:

• установление соединения со всеми беспроводными устройствами, вне зависимости от их MAC-адреса;
• установление соединения с устройствами, МАС-адреса которых занесены в «список контроля доступа» (Access Control List, ACL);
• отказ от соединений с устройствами, МАС-адреса которых занесены в список «запрещенных».

Помимо этого, ограничить доступ можно путем отключения широковещательной  рассылки ESS ID, т. е. точка доступа  не будет передавать его в открытую сеть, для подключения к которой нужно знать ESS ID. Для аутентификации Wi-Fi-устройства обычно используются следующие методы:

• Открытая система (OPEN SYSTEM) — клиент отсылает запрос с идентификатором (MAC-адресом), точка доступа проверяет соответствие клиента списку MAC-адресов.
• Открытая система с EAP (OPEN SYSTEM AUTHENTICATION WITH EAP) — дополнительная идентификация через протоколы EAP на RADIUS-сервере.
• Закрытая система (SHARED SYSTEM AUTHENTICATION) — клиент отсылает запрос на соединение, а точка доступа отсылает клиенту последовательность, которую необходимо зашифровать и передать обратно.

Для защиты Wi-Fi-устройств  от несанкционированного доступа используются механизмы шифрования Wired Equivalent Privacy (WEP). Методы и алгоритмы шифрования определяются стандартом 801.Ш, в котором в качестве основного выбран блочный шифр AES [7]. Протокол WEP основан на потоковом шифре RC4. При этом WEP-шифрование может быть статическим или динамическим. При статическом WEP-шифровании ключ не меняется. При динамическом способе шифрования периодически происходит смена ключа шифрования. В 2004 году была опубликована поправка к стандарту 802.11 с новыми алгоритмами безопасности WPA и WPA2. Технология WEP была признана устаревшей. Новые методы обеспечения безопасности WPA и WPA2 (Wi-Fi Protected Access) совместимы между множеством беспроводных устройств как на аппаратном, так и на программном уровнях.

Несмотря на то, что  метод FHSS позволяет применять простую  схему приемопередатчика, он ограничивает максимальную скорость до 2 M6ot/c

Стандарт 802.11b

Ограничение скорости в стандарте 802.11 привело к тому, что устройства и локальные сети этого типа практически перестали использоваться. На смену 802.11 в 1999 г. пришел более быстрый стандарт 802.11b (802.11 High rate), который работает на той же центральной частоте 2,4 ГГц с максимальной скоростью до 22 Мбит/с. В спецификации 802.11b используется метод расширения спектра Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) — расширение спектра радиосигнала посредством применения прямой последовательности. Основные параметры Wi-Fi 802.11b приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные параметры стандарта IEEE 802.11b (в соответствии с действующими нормативами РФ)

Основная архитектура, идеология, структура и характерные особенности уровней нового стандарта 802.11b аналогичны первоначальному варианту Wi-Fi — 802.11, изменился только физический уровень, характеризующий более высокие скорости доступа и передачи данных. Распределение частот линейного тракта системы передачи (Frequency Assignment Plan) реализуется в соответствии с формулой, приведенной в таблице 2.

Для модуляции и поддержки  различных режимов скорости передачи данных есть разные способы. Скорость 1 Мбит/с поддерживается за счет метода DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying). Для обеспечения скорости 2 Мбит/с используется метод DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying). Схема модуляции ССК (Complementary Code Keying) допускает скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с. Использование CCK-кодов позволяет кодировать 8 бит на один символ. Символьная скорость 1,385 мегасимволов в секунду (11/8 = 1,385) соответствует скорости 11 Мбит/с. При этом кодируется 8 бит на символ. При скорости передачи 5,5 бит/с в одном символе кодируется только 4 бита.

В протоколе также  предусмотрена коррекция ошибок методом FEC. В расширенном варианте стандарта 802.11b+ скорость передачи данных может достигать 22 Мбит/с. Поскольку  метод частотных скачков FHSS, используемый в 802.11, не может поддерживать высокие скорости, он исключен из 802.11b. Поэтому оборудование для 802.11b совместимо с DSSS-системами 802.11, но не будет работать с системами FHSS 802.11.

В стандарте 802.11b предусмотрен режим работы в условиях сильных  помех и слабого сигнала. С  этой целью используется динамический сдвиг скорости, позволяющий автоматически изменять скорость передачи данных в зависимости от уровня сигнала и помех. Так, например, в том случае, когда повышается уровень помех, автоматически снижается скорость передачи данных до 5,5, 2 или 1 Мбит/с. При уменьшении помех устройство возвращается к нормальному режиму работы на больших скоростях.

В стандарте 802.11b контроль доступа реализован как на МАС-уровне, так и с помощью шифрования данных через WEP. Когда включен WEP, он защищает только пакет данных, но не защищает заголовки физического уровня, так что другие станции в сети могут просматривать данные, необходимые для управления сетью. Необходимо подчеркнуть, что за последние годы в шифре RC4 были найдены многочисленные изъяны. Поэтому все чаще стали использоваться модернизированные протоколы шифрования. Например, стандарт TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) использует тот же шифр RC4, что и WEP, но с инициа-лизационным вектором длиной 48 бит. Для проверки целостности сообщений добавлен протокол MIC (Message Integrity Check). При его использовании станция блокируется, если в течение минуты будет послано более двух не прошедших проверку запросов. В протоколе AES-CCMP распределение ключей и проверка целостности выполнена в одном компоненте CCMP (Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol). Для шифрования используется шифр AES.

С развитием технологий LAN во всем мире резко возросло количество различных беспроводных устройств, и возникла проблема помех и перегруженности диапазона 2,4 ГГц. Это связано с тем, что такие устройства, как микроволновые печи, беспроводные телефоны, рации, Bluetooth-оборудование и другие аналогичные приборы заметно влияют друг на друга. В частности, это сказывается и на качестве работы оборудования Wi-Fi.

Как было отмечено выше, в стандарте 802.11 максимальная скорость передачи определяется как сумма  по каналам. Поэтому теоретическая  скорость не однозначно соответствует  реальной скорости передачи данных. В  случаях, когда различные устройства 802.11 используют одни и те же каналы или работают в зоне мощных радиопомех, могут возникать существенные снижения скорости. Например, беспроводная станция, установившая соединение на скорости 11 Мбит/с, реально будет работать со скоростью не больше 1 Мбит/с, если она находится в зоне действия мощной микроволновой печи.