12
На рисунке 2 приведена структура применяемого на практике в обору-
довании EtherNet формата кадра EtherNet DIX, который иногда называют
кадром EtherNet II.
Рисунок 2 - Формат кадра EtherNet DIX
DA (Destination Address) представляет собой MAC-адрес узла назначе-
ния, а SA (Source Address) – MAC-адрес узла отправителя. Адрес источника
нужен для того, чтобы получивший кадр узел знал, кому нужно на него отве-
тить. Поле T (Type) содержит условный код протокола верхнего уровня, дан-
ные которого находятся в поле данных кадра. Длина поля данных должна
быть не меньше 46 байт и в случае необходимости дополняется до мини-
мального размера байтами заполнения. Поле контрольной последовательно-
сти кадра (Frame Check Sequence, FCS) состоит из 4 байт контрольной сум-
мы, вычисляемой по алгоритму CRC-32.
Кадр EtherNet представляет собой лишь вершину айсберга, видимую на
уровне доступа к среде. При передаче данных от источника до конечного по-
лучателя на каждом более высоком уровне организации этого процесса (сете-
вом, транспортном, прикладном) данные дополнительно упаковываются (ин-
капсулируются) в некую оболочку из дополнительных служебных полей, об-
разовывая некое подобие матрёшки. При продвижении пакета снизу вверх
производится обратная операция – разделение на заголовок и данные с при-
нятием решения о дальнейшем направлении данных в соответствии заголов-
ком [16].
Для обеспечения взаимодействия между сетевыми устройствами на
всех этих уровнях был разработан протокол TCP/IP, представляющий собой
стек сетевых протоколов, повсеместно используемый для Интернета и ло-
13
кальных сетей. Название его произошло от двух наиболее важных протоко-
лов:
IP (Internet Protocol) - интернет протокол, описывающий передачу паке-
тов данных от узла к узлу на основе четырехбайтного адреса назначения (IP-
адрес).
TCP (Transmission Control Protocol) - протокол управления передачей,
отвечающий за обеспечение корректной доставки данных от клиента к серве-
ру. В TCP добавлена возможность обнаружения ошибок или потерянных
данных с возможностью запроса повторной передачи, до тех пор, пока дан-
ные корректно и полностью не будут получены [26].
На транспортном уровне может использоваться протокол UDP (User
Datagram Protocol) - протокол пользовательских дейтаграмм, который, в от-
личие от TCP, не гарантирует доставку или проверку целостности для каждо-
го пакета данных (дейтаграммы). Этот протокол может использоваться,
например, при передаче аудио- или видеоданных, а также во всех других
случаях, когда потеря части передаваемой информации не критична.
Распределение протоколов стека TCP/IP по уровням передачи данных
показано на рисунке 3.
Рисунок 3 – Распределение протоколов TCP/IP по уровням
14
Основные характеристики протокола TCP/IP:
Наличие стандартизованных протоколов высокого уровня для широко
известных пользовательских сервисов.
Использование открытых стандартов протоколов, позволяющее разра-
батывать и дорабатывать их независимо от программного и аппаратного
обеспечения;
Система уникальной адресации;
Независимость от применяемого физического канала связи.
Одной из основных функций сети на прикладном уровне TCP/IP явля-
ется предоставление общего доступа к информации, хранящейся в её узлах.
Для этого применяются следующие основные протоколы:
FTP - протокол, предназначенный для передачи файлов;
HTTP - протокол передачи гипертекста;
FTP (File Transfer Protocol)- стандартный протокол, предназначенный
для передачи файлов любого внутреннего формата по TCP-сетям (например,
Интернет). Он используется для загрузки страниц и документов WEB- сайтов
с компьютера разработчика на сервера, предоставляющие хостинг (размеще-
ние) этих сайтов. Протокол FTP основан на архитектуре "клиент-сервер" и
использует разные сетевые соединения для передачи команд и данных.
FTP работает на прикладном уровне TCP/IP, для чего должен быть за-
пущен FTP-сервер, ожидающий входящих запросов. Компьютер-клиент мо-
жет связаться с сервером по порту 21. FTP может работать в активном или
пассивном режиме, от выбора которого зависит способ установки соедине-
ния. В активном режиме клиент создаёт управляющее TCP-соединение с сер-
вером и отправляет серверу свой IP-адрес и произвольный номер клиентско-
го порта, после чего ждёт, пока сервер не запустит TCP-соединение с этим
адресом и номером порта. В случае, если клиент находится за брандмауэром
и не может принять входящее TCP-соединение, может быть использован пас-
15
сивный режим. В этом режиме клиент использует поток управления, чтобы
послать серверу команду PASV, и затем получает от сервера его IP-адрес и
номер порта, которые затем используются клиентом для открытия потока
данных с произвольного клиентского порта к полученному адресу и порту.
Передача данных может осуществляться в любом из трёх режимов:
Поточный режим - данные посылаются в виде непрерывного потока,
вся обработка выполняется TCP.
Блочный режим - FTP разбивает данные на несколько блоков (блок за-
головка, количество байт, поле данных) и затем передаёт их TCP.
Режим сжатия - данные сжимаются единым алгоритмом (обыкновенно,
кодированием длин серий).
HTTP (HyperTextTransferProtocol)- протокол прикладного уровня пере-
дачи данных - в виде гипертекстовых документов. Он используется во Все-
мирной сети для получения информации с веб-сайтов, а также в качестве
«транспорта» для других протоколов прикладного уровня, таких как SOAP,
XML-RPC, WebDAV. Основным объектом в HTTP является ресурс, на кото-
рый указывает URI (англ. Uniform Resource Identifier) в запросе клиента.
Обычно такими ресурсами являются хранящиеся на сервере файлы.
Стороны, использующие HTTP, могут самостоятельно осуществлять
сохранение информации, связанной с последними запросами и ответами
(например, «куки» на стороне клиента, «сессии» на стороне сервера). Брау-
зер, посылающий запросы, может отслеживать задержки ответов. Сервер
может хранить IP-адреса и заголовки запросов последних клиентов.
Протокол HTTP настолько прост в реализации, что позволяет легко со-
здавать клиентские приложения. Его возможности достаточно просто расши-
ряются благодаря внедрению собственных заголовков, дающих возможность
получить необходимую функциональность при решении конкретной задачи.
16
Совместимость с другими клиентами и серверами при этом сохраняется - не-
известные им заголовки будут игнорироваться [22].
1.3. Беспроводные локальные сети
Появление компактных моделей переносных персональных компьюте-
ров – ноутбуков, а так же планшетов и смартфонов, оснащенных беспровод-
ными адаптерами, позволяет осуществлять мобильный доступ к информаци-
онным вычислительным сетям.
Скорость доступа к важной информации уже не играет роли, так как
современные сетевые устройства имеют высокую скорость передачи инфор-
мации. В настоящее время становиться важным свободность доступа к этой
информации из любого места - мобильность.
Беспроводные сети, как правило, применяются как корпоративные сети
внутри зданий, на территории предприятия, а так же для связи удаленных от-
делений между собой. Они дают возможность обеспечить доступ к локаль-
ной сети, учебным материалам и сети Интернет, там, где прокладка кабель-
ных сетей невозможна [5].
В современном мире очень распространены переносные рабочие стан-
ции – ноутбуки планшетные компьютеры и смартфоны. В подавляющем
большинстве устройств уже встроено клиентское оборудование, обеспечи-
вающее доступ к беспроводным сетям.
Таким образом, современные беспроводные сетевые технологии, обес-
печивают мобильность пользователям локальной сети и сети Интернет.
В настоящее время для организации беспроводных локальных сетей
используется преимущественно стандарт IEEE 802.11, который предусматри-
вает два типа коммуникаций. Первый тип - асинхронные коммуникации, ко-
гда передача данных происходит отдельными блоками, начало которых от-
мечено стартовым разрядом, а конец - стоповым разрядом. Ко второму типу
относятся коммуникации, осуществляемые в определенных временных рам-
17
ках, когда сигналу дается определенное время для достижения точки назна-
чения, а если сигнал не укладывается в это время, то он считается потерян-
ным или искаженным. Стандарт 802.11 предусматривает поддержку служб
управления сетью (например, протокола SNMP). Также обеспечивается
аутентификация сети.
С точки зрения рабочей среды стандарт 802.11 различает беспроводные
коммуникации в помещении (комнатные) и на открытом воздухе (наружные).
Комнатные коммуникации могут, к примеру, осуществляться в здании офиса,
промышленной зоне, магазине или частном доме (т. е. везде, где они не рас-
пространяются дальше отдельного здания). Обладает хорошей помехозащи-
щенностью. В настоящее время широко распространён и применяется на
практике в городских условиях - в кинотеатрах, ресторанах, больницах, аэро-
портах и т.д.
Стандарт IEEE 802.11 применяется для организации беспроводной сети
в пределах организации и предприятия, обладает высокой скоростью переда-
чи. Имеет широкий спектр оборудования, которое полностью отвечают этому
открытому стандарту, поэтому различные модели могут взаимодействовать
друг с другом. Обладает хорошей помехозащищённостью. В настоящее вре-
мя этот стандарт наиболее распространён [12].
Стандарт IEEE 802.11 обладает целым рядом достоинств:
высокая пропускная способность;
высокая помехозащищённость;
минимальная стоимость;
возможности масштабирования;
наличие встроенных методов шифрования данных;
широкая распространённость.
Сети стандарта 802.11 разработчик может выбрать любую из следую-
щих топологий:
18
IBSS (independent basic service sets) - независимые базовые зоны обслу-
живания;
BSS (basic service sets) - базовые зоны обслуживания;
ESS (extended service sets) - расширенные зоны обслуживания.
IBSS представляет собой группу станций, связывающихся непосред-
ственно одна с другой. IBSS также называют неплановой (ad-hoc) сетью, по-
тому что она по сути представляет собой простую одноранговую WLAN (ри-
сунок 4).
Пользователь 1
Пользователь 2
Пользователь 3
Рисунок 4 - Неплановая (ad-hoc) сеть (IBSS)
Такие сети имеют ограниченную протяжённость. Клиенты непосред-
ственно устанавливают соединения друг с другом, в результате чего создает-
ся только одна базовая зона обслуживания (BSS), не имеющая интерфейса
для подключения к проводной локальной сети.
Базовые зоны обслуживания (BSS) - предполагают наличие особой
станции, точки доступа (access point), являющейся центральным пунктом
связи для всех станций. Клиентские станции непосредственно связываются с
точкой доступа, но не друг с другом. Точка доступа может иметь порт восхо-
дящего канала (uplink port), через который BSS подключается к проводной
сети (например, восходящий канал Ethernet). Поэтому BSS иногда называют
инфраструктурой BSS. На рисунке 5 представлена типичная инфраструктура
BSS.
19
AP
Пользователь 1 Пользователь 2
Пользователь 3
Рисунок 5 - Инфраструктура беспроводной локальной сети BSS
Несколько BBS, соединенных между собой через распределительную
систему DS (distribution system,), образуют расширенную зону обслуживания
(ESS). Восходящий канал к распределительной системе может быть как про-
водным, так и беспроводным. На рисунке 6 приведён пример практического
воплощения ESS.
Проводная сеть
Рисунок 6 - Расширенная зона обслуживания ESS беспроводной локальной
сети
Сети 802.11 включают две категории радиоаппаратуры:
станции;
точки доступа.
20
Станция представляет собой компьютер или иное устройство (прин-
тер, IP-камера и т.д.), подключенное к беспроводной сети через один из ви-
дов адаптеров:
внутренние сетевые PСI-карты или вставляемые модули для настоль-
ных компьютеров;
внешние USB-адаптеры (рисунок 7);
Рисунок 7 - PCI и USB –адаптеры
внутренние беспроводные адаптеры портативных компьютеров;
внутренние сетевые интерфейсы других устройств, например IP-
телефонов, принтеров, IP-камер и др.
Точка доступа представляет собой базовую станцию беспроводной сети
и мост между беспроводной и иной, в том числе беспроводной, сетью.
Существуют следующие разновидности точек доступа:
простые базовые станции с мостом к Ethernet-порту;
свитч или маршрутизатор с одним или более портами проводной
Ethernet, совмещённый с беспроводной точкой доступа;
маршрутизаторы, обеспечивающие функционирование моста между
модемом (в том числе 3G или LTE) и беспроводной точкой доступа;
программные точки доступа, в качестве базовой станции использую-
щие компьютерные беспроводные сетевые интерфейсы [3].
21
Стандарт 802.11 предполагает использование двух методов передачи
данных:
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - широкополосная модуляция с
прямым расширением спектра;
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) - метод скачкообразной пе-
рестройки частоты.
При потенциальном кодировании информации биты - логические нули
и единицы - передаются прямоугольными импульсами. Ширина спектра им-
пульса обратно пропорциональна его длительности.
Для уширения спектра первоначально узкополосного сигнала в техно-
логии DSSS в каждый передаваемый информационный бит встраивается по-
следовательность так называемых чипов - прямоугольных импульсов дли-
тельностью в n раз меньше информационного бита, имеющих вследствие
этого ширину спектра в n-раз больше ширины спектра первоначального сиг-
нала. Амплитуда передаваемого сигнала при этом уменьшится в n раз, а сам
он становится трудно отличимым от естественного шума (рисунок 8).
Рисунок 8 - Технология уширения спектра
Чтобы выделить полезную информацию на уровне шума, в приёмнике
полученный сигнал умножается на ту же чиповую последовательность. Сиг-
нал становится опять узкополосным, дальнейшая его фильтрация в узкой по-
лосе частот подавляет любые помехи, попадающие в полосу исходного сиг-