2
Москва 2016 г.
1
Содержание
Введение
8
1 Анализ существующей сети
9
1.1 Анализ существующей сети связи в развлекательном
центре Нурдаулет г. Актобе
9
1.2 Тенденции развития hot spot
10
1.3 Беспроводные технологии
14
1.4 Преимущества и особенности Wi-Fi
18
1.5 Выбор стандарта и топологии беспроводной технологии
19
1.6 Стек протоколов стандарта Wi-Fi
21
1.7 МАС уровень
23
1.8 Физический уровень IEEE 802.11
25
1.9 Типы и разновидности соединений
26
1.10 Wi-Fi с ячеистой топологией
25
1.11 Формат кадра
28
1.12 Преимущества Mesh-сетей
29
1.13 Способы маршрутизации Mesh-сетей
30
1.14 Постановка задачи
26
2 Выбор оборудования
33
2.1 Производители оборудования
33
2.2 Cisco Aironet 1500
33
2.3 D-Link
33
2.4 DWR-500
34
2.5 Разработанная схема организации Mesh-сети
35
3 Расчеты по проектируемой сети
36
3.1 Упрощенный расчет зоны действия сигнала
36
3.2 Расчет дальности работы Wi-Fi в зависимости от
мощности передатчика и усиления антенны
38
3
Введение
Технология WiFi является одной из самых перспективных на
сегодняшний день в области компьютерной связи. Wi-Fi изменяет
целый мир. Эти изменения касаются того, как люди работают, играют
и взаимодействуют друг с другом. Экономика Wi-Fi быстро изменяет
мир за счет высокоскоростных беспроводных служб работы с
информацией. Она позволяет пользователю всякий раз быть
«подключенным», уплотняет время, поскольку он имеет возможность
быть продуктивным независимо от того, где располагается.
Мобильность – это образ нового поколения.
Стандарт 802.11, или Wi-Fi, переходит из изначально присущего
ему разряда вертикальных приложений для складов, управления
запасами и средства связи для кассовых аппаратов к горизонтальным
приложениям, используемым многими из нас дома и на работе. На
нынешний день Wi-Fi в основном используется как высокоскоростное
беспроводное расширение сетей Ethernet, соединяя нас постоянно и
без каких-либо усилий с нашей стороны с Internet и нашими офисными
приложениями, где бы мы ни пребывали.
Wi-Fi действует в не лицензирующих частотах ISM, она применима
для развертывания кем угодно, где угодно; и нужное оборудование
считается простым и дешевым. Потому данная разработка стала одной из
более обширно всераспространенных и фаворитных беспроводных
стандартов.
Беспроводные локальные сети (WLANs), базирующиеся на
стандарте 802.11, гарантируют мобильность и полосу частот, которые
нужны пользователям сетей.
Первые беспроводные сети, в том числе Aloha, ARDIS и
Ricochet, обеспечивали скорость передачи данных менее 1 Мбит/с.
Стандарт 802.11 позволяет изготовителям обеспечивать
взаимодействие со скоростями 2 Мбит/с. В следствии ратификации в
1999 году стандарта 802.11b планка поднялась до 11 Мбит/с; данная
скорость конкурентоспособна с Ethernet на 10 Мбит/с. Стандарты
802.11а и 802.11g регламентируют скорость передачи данных около 54
Мбит/с, что сопоставимо с Fast Ethernet при таких же затратах. Как и
первые разработчики WLAN, вертикальные (обхватывающие все
4
стадии производства) отрасли, такие как розничная торговля,
здравоохранение и производство, оценили достоинства WLAN и
беспроводных приложений. Почти все из этих отраслей рассматривают
WLAN как неотъемлемую часть своего бизнеса. Благодаря высокому
спросу производители могут увеличить объемы производства и
снизить себестоимость, а следовательно, и цену своих изделий,
поэтому аппаратное обеспечение WLAN становится доступным
потребителям и предприятиям по умеренным ценам.
Задача моей дипломной работы является проектирование Wi-Fi
сети в торговом центре «Нурдаулет» г. Актобе.
5
1. Анализ существующей сети
1.1. Анализ существующей сети связи в развлекательном центре
Нурдаулет г. Актобе
Актобе – это один из крупнейших индустриальных, деловых и
культурных центров РК, «столица» западного Казахстана,
административный центр Актюбинской области.
Один из крупнейших торговых и развлекательных центров – центр
«Нурдаулет», который запущен в эксплуатацию в апреле 2014г.,
расположен по адресу: пр. Абулхаир-хана 46. Этот центр оснащен
современными коммуникациями связи: развернута сеть IP-телефонии. На
рисунке 1.1 приведена существующая схема организации связи в
развлекательном центре «Нурдаулет».
6
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..1
Существующая схема организации связи в центре «Нурдаулет»
.
1.2. Тенденции развития hot spot
По прогнозам специалистов, в 2014 году общее число проданных
мобильных телефонов превысит два миллиарда, из них один миллиард –
это «обычные» мобильные аппараты, второй – смартфоны. В прошедший
2013-й год стал первым годом, когда треть всех мобильных телефонов
стала обладать возможностью работы с Wi-Fi. Таким образом, в
ближайшее время пользование мобильными устройствами и портативной
техникой станет массовым и повсеместным. Аналитическая компания
Infonetics прогнозирует рост применения в мире беспроводного
оборудования (рисунок 1.2).
7
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..2
Тенденция роста пользователей Wi-Fi
Многие аналитики по-прежнему серьезно оценивают намерения Wi-
Fi Alliance составить реальную конкуренции решениям WiMAX и LTE в
секторе мобильной передачи данных для крупных городов. И для такого
оптимизма пока имеются все основания, учитывая высокие затраты на
развертывание мобильных сетей 4-го поколения (4G), в то время как Wi-
Fi остается сравнительно дешевой и высокопродуктивной технологией
беспроводного доступа, имеющей самый широкий ассортимент
терминальных устройств и значительную доступность обслуживания [1].
В ближайшие несколько лет можно ожидать дальнейшего развития
линейки Wi-Fi решений. При этом ожидается следующие решения:
- освоение частотного диапазона 60 ГГц. Wireless Gigabit Alliance
(WiGig Alliance) активно работает над освоением технологией Wi-Fi
диапазона 60 ГГц с пиковыми скоростями передачи до 7 Гбит/с для
сценариев пико сотового покрытия. Подобное увеличение
производительности Wi-Fi является серьезным шагом вперед даже по
сравнению с высокоскоростными решениями IEEE 802.11n (до 300
Мбит/с), предполагающими одновременное использование двух или трех
пользовательских потоков и объединение двух рабочих радиоканалов по
20 МГц. Ограничивающим фактором данного решения является короткий
радиус действия, а также необходимость одновременной поддержки
базовых частотных диапазонов Wi-Fi – 2,4 ГГц и 5 ГГц. Зато перспективы
развития «облачных» сервисов и ОТТ-услуг на базе высокоскоростного
беспроводного доступа Wi-Fi 60 ГГц кажутся вполне реалистичными;
- развитие решений Wi-Fi Direct, позволяющих обеспечить со
стандартными скоростями Wi-Fi прямые соединения между самыми
различными клиентскими устройствами (коммуникаторы, смартфоны,
принтеры, цифровые фото/видео камеры и др.), минуя традиционные
8
точки доступа и беспроводные маршрутизаторы;
- по примеру технологии Bluetooth Wi-Fi Alliance, как разработчик
решений Wi-Fi Direct, поддерживает ряд спецификаций, в частности, для
обеспечения информационной защиты – Wi-Fi Protected Access 2 (WPA2);
- поддержка улучшенных решений VoIP с новым набором WFA-
протоколов с целью дальнейшего развития конкурентоспособных
альтернативных голосовых услуг;
- развитие ячеистых (mesh) Wi-Fi сетей на базе сравнительно
дешевых модулей, каждый из которых по радиоканалу соединен со всеми
соседями в зоне радиовидимости. Немаловажным преимуществом
ячеистых Wi-Fi сетей также является самоорганизация сетевых модулей и
способность восстанавливаться при выходе из строя некоторых узлов.
Внедрение спецификации IEEE 802.11s позволит создавать более простые
и недорогие сети Wi-Fi с поддержкой альтернативных маршрутов и
повышенной надежностью;
- дальнейшее усовершенствование радиоинтерфейса Wi-Fi.
Предполагаемые в рамках спецификации IEEE 802.11n улучшения
параметров радиосвязи дополняются повышением надежности чипсетов,
применением технологии паритетного кодирования для устранения
ошибок, улучшением приема в точках доступа за счет оптимизации
формирования диаграмм направленности приемных антенн;
- усовершенствование клиентского опыта Wi-Fi за счет
оптимизации взаимодействия с точками доступа. Развитие спецификации
IEEE 802.11v нацелено на поддержку механизмов управления
параметрами радиосети Wi-Fi в аспекте уменьшения энергопотребления.
В свою очередь внедрение протокола 802.11k для улучшения управления
радиоресурсом позволит в сетях Wi-Fi идентифицировать слабые сигналы
или зоны неуверенного приема и, соответственно, оптимизировать
беспроводное обслуживание.
За последнее время IEEE стандартизированы следующие
спецификации:
- IEEE 802.11mb – техническое обслуживание стандарта (2012 год);
- IEEE 802.11aa – робастное потоковое аудио и видео (2012 год);
- IEEE 802.11ac – обеспечение высокоскоростной передачи для
диапазонов ниже 6 ГГц (2013 год);
- IEEE 802.11ad – обеспечение высокоскоростной передачи для
диапазона 60 ГГц (2012 год);
- IEEE 802.11ae – управление качеством (2012 год);
- IEEE 802.11af – Wi-Fi с использованием когнитивного радио (2013
год).
Ожидается стандартизация спецификаций:
- IEEE 802.11ai – обеспечение эффективного первоначального
доступа (2014 год);
9
- IEEE 802.11ah – освоение диапазонов ниже 1 ГГц (2015 год).
В качестве эффективного механизма обеспечения информационной
безопасности в современных решениях Wi-Fi используются решения
спецификации IEEE 802.11i и механизмы установления подлинности
ЕАР; оба решения имеют сертификаты Wi-Fi Alliance’s Wi-Fi Protected
Access 2 (WPA2)-Enterprise certification. Технология WPA2 основана на
стандарте IEEE 802.11i и представляет собой 128-битное AES-
шифрование с проверкой подлинности на основе предварительных
ключей (PSK) или стандарта 802.1х RADIUS, что хорошо подходит для
реализации функций управления авторизацией, аутентификацией и
администрирования (AAA).
Практически все беспроводные сети имеют дело с широким
разнообразием терминальных устройств, как использующих SIM-карты
(например, смартфоны), так и обходящиеся без них (например,
планшетные компьютеры, ноутбуки и нетбуки). Именно по этой причине
Wi-Fi хот-споты нового поколения должны поддерживать и
альтернативные EAP-SIM механизмы авторизации, например, протокол
Х.509. На рисунке 1.3 представлен прогноз проникновения терминальных
устройств в Wi-Fi сети.
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..3
Прогноз проникновения терминальных устройств в Wi-Fi
Таким образом, за последние годы технология Wi-Fi претерпела ряд
улучшений, что позволило создавать достаточно недорогое оборудование,
которое за счет высокой скорости передачи (до 600 Мбит/с) и доступного
широкого спектра (до 500 МГц) является вполне конкурентоспособным на
фоне сотовых сетей 2G/3G.
Распределенный Wi-Fi. В последнее время наблюдается тенденция
разделения широкополосного беспроводного соединения и цифрового
контента сетей Wi-Fi. Помимо реализации концепции
10
самоорганизующихся (ad-hoc) сетей разделение Wi-Fi позволит
операторам внедрить новые бизнес-модели, в которых сами абоненты
имеют возможность распределять свою пропускную способность.
1.3. Беспроводные технологии
Технология передачи данных по радиоканалу позволяет
организовывать сети разных типов и решать широкий спектр задач – от
развертывания сети в помещении до организации распределенной сети
масштаба региона или целой страны. Существуют несколько различных
классов беспроводных сетей (рисунок 1.4): WLAN; Wireless Access;
WPAN.
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..4
Основные виды беспроводных сетей
Самым распространенным является WLAN (Wireless Local Area
Networks, беспроводные локальные сети). Другое название такого
оборудования – Radio Ethernet. Основное предназначение такой техники –
развертывание беспроводных сетей внутри помещений. К этому классу
относится все оборудование, работающее в соответствии со стандартами
семейства IEEE.802.11.
Стандарт Radio Ethernet IEEE 802.11 – это стандарт организации
беспроводных коммуникаций на ограниченной территории в режиме
локальной сети, т.е. когда несколько абонентов имеют равноправный
доступ к общему каналу передач. 802.11 – первый промышленный
стандарт для беспроводных локальных сетей (WLAN). Стандарт был
разработан Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).
В настоящее время существует множество стандартов семейства
IEEE 802.11 [2]:
- 802.11 – первоначальный основополагающий стандарт.
11
Поддерживает передачу данных по радиоканалу со скоростями 1 и 2
Мбит/с;
- 802.11a – высокоскоростной стандарт WLAN. Поддерживает
передачу данных со скоростями до 54 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне
около 5 ГГц;
- 802.11b – самый распространенный стандарт. Поддерживает
передачу данных со скоростями до 11 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне
около 2,4 ГГц;
- 802.11c – стандарт, регламентирующий работу беспроводных
мостов. Данная спецификация используется производителями
беспроводных устройств при разработке точек доступа;
- 802.11d – стандарт определял требования к физическим
параметрам каналов (мощность излучения и диапазоны частот) и
устройств беспроводных сетей с целью обеспечения их соответствия
законодательным нормам различных стран;
- 802.11e – описывает классы качества QoS для приложений,
обеспечивающих передачу аудио- и видеофайлов. Изменения, введенные
на уровне МАС-протоколов 802.11e, регламентируют качество
одновременной передачи звука и изображения для беспроводных аудио- и
видеосистем;
- 802.11f – унифицирует параметры Wi-Fi-точек доступа различных
производителей. Стандарт позволяет пользователю работать с разными
сетями при перемещении между зонами действия отдельных сетей;
- 802.11g – устанавливает дополнительную технику модуляции для
частоты 2,4 ГГц. Предназначен, для обеспечения скоростей передачи
данных до 54 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 2,4 ГГц;
- 802.11h – для предотвращения конфликтных ситуаций стандарт
802.11h вводит обязательный для использования в Европе механизм
автоматического сброса мощности на частотах 5 ГГц для бытовых
устройств Wi-Fi при попадании их в зону действия изделий 802.11
специального и военного назначения. Этот стандарт является
необходимым требованием ETSI, предъявляемым к оборудованию,
допущенному для эксплуатации на территории стран Европейского
Союза. Так, например, все Wi-Fi-оборудование, выпускаемое
французской фирмой ACKSYS, проходит обязательную европейскую
сертификацию на соответствие стандарту 802.11h;
- 802.11i (WPA2) – в первых вариантах стандартов 802.11 для
обеспечения безопасности сетей Wi-Fi использовался алгоритм WEP.
Предполагалось, что этот метод может обеспечить конфиденциальность и
защиту передаваемых данных авторизированных пользователей
беспроводной сети от прослушивания. Однако, как выяснилось, эту
защиту можно взломать всего за несколько минут. Поэтому в стандарте
802.11i были разработаны новые методы защиты сетей Wi-Fi,