12
реализованные как на физическом, так и программном уровнях. В
настоящее время для организации системы безопасности в сетях 802.11
рекомендуется использовать алгоритмы Wi-Fi Protected Access (WPA).
Они также обеспечивают совместимость между беспроводными
устройствами различных стандартов и различных модификаций.
Протоколы WPA используют усовершенствованную схему шифрования
RC4 и метод обязательной аутентификации с использованием EAP.
Устойчивость и безопасность современных сетей Wi-Fi определяется
протоколами проверки конфиденциальности и шифрования данных
(RSNA, TKIP, CCMP, AES);
- 802.11j – спецификация предназначена для Японии и расширяет
стандарт 802.11а добавочным каналом 4,9 ГГц;
- 802.11k - этот стандарт был разработан, чтобы улучшить
распределение трафика между абонентами внутри сети. В беспроводной
локальной сети абонентское устройство обычно соединяется с той точкой
доступа, которая обеспечивает наиболее сильный сигнал. Это может
привести к перегрузке сети, если к одной точке доступа будут стремиться
подключиться сразу много абонентов. Для контроля подобных ситуаций в
стандарте 802.11k предложен механизм, ограничивающий количество
абонентов, подключаемых к одной точке доступа, и подсоединяющий
новых абонентов к другой точке, несмотря на более слабый сигнал от нее.
В этом случае полная пропускная способность сети увеличивается
благодаря более эффективному использованию ресурсов;
- 802.11m – в рамках IEEE 802.11 существует рабочая группа TASK
GROUP, занимающаяся исправлением ошибок и ответами на запросы и
замечания, которые любой человек может отправить в IEEE. Эти
поправки и исправления суммируются в документе с общим названием
802.11m;
- 802.11n – стандарт с пропускной способностью сетей до 100
Мбит/сек;
- 802.11p - регулирует взаимодействие Wi-Fi-оборудования,
движущегося со скоростью до 200 км/ч мимо неподвижных точек
доступа, удаленных на расстояние до 1 км. Он входит в состав стандарта
Wireless Access in Vehicular Environ (WAVE) и является своего рода
интерфейсом для связи с IEEE 1609. Стандарты WAVE определяют
архитектуру и дополнительный набор служебных функций и
интерфейсов, которые обеспечивают безопасный механизм радиосвязи
между движущимися транспортными средствами. Эти стандарты
разработаны для таких приложений, как, например, организация
дорожного движения, контроль безопасности движения,
автоматизированный сбор платежей, навигация и маршрутизация
транспортных средств и др.;
- 802.11r – регламентирует быстрый автоматический роуминг Wi-Fi-
13
устройств при переходе из зоны действия одной точки доступа к зоне
охвата другой. Этот стандарт ориентирован в основном на интернет-
телефонию и на мобильные телефоны с поддержкой Wi-Fi. До появления
этого стандарта при движении абонент часто терял связь с одной точкой
доступа, был вынужден искать другую и заново выполнять процедуру
подключения. Устройства с поддержкой 802.11r могут зарегистрироваться
заранее с соседними точками доступа и выполнять процесс
переподключения в автоматическом режиме. Уменьшается мертвое
время, когда абонент не доступен в сетях Wi-Fi;
- 802.11s - разработан для топологии многоузловых или ячеистых
сетей (Wireless Mesh Network), где любое устройство может служить как
маршрутизатором, так и точкой доступа. Если ближайшая точка доступа
перегружена, данные перенаправляются к ближайшему незагруженному
узлу. При этом пакет данных передается от одного узла к другому, пока
не достигнет конечного места назначения. В данном стандарте введены
новые протоколы на уровнях MAC и PHY, которые поддерживают
широковещательную и многоадресную передачу, а также одноадресную
поставку по самоконфигурирующейся системе точек доступа Wi-Fi. C
этой целью в стандарте введен четырехадресный формат кадра. Проект
получил внутреннее название SEE-MESH;
- 802.11t – этот документ представляет собой набор методик,
рекомендованных IEEE для тестирования сетей 802.11: способы
измерений и обработки результатов, требования, предъявляемые к
испытательному оборудованию;
- 802.11u – предназначен для регулирования взаимодействия сетей
Wi-Fi с внешними сетями. Стандарт должен определять протоколы
доступа, протоколы приоритета и запрета на работу с внешними сетями;
- 802.11v – в стандарте должны быть разработаны поправки,
направленные на совершенствование систем управления сетями IEEE
802.11. Модернизация на МАС- и PHY-уровнях должна позволить
централизовать и упорядочить конфигурацию клиентских устройств,
соединенных с сетью;
- 802.11y – дополнительный стандарт связи для диапазона частот
3,65-3,70 ГГц. Для устройств последнего поколения, работающих с
внешними антеннами на скоростях до 54 Мбит/с (до 5 км) на открытом
пространстве;
- 802.11w – разработан с целью улучшения защиты и безопасности
уровня управления доступом к среде передачи данных (МАС). Протоколы
стандарта структурируют систему контроля целостности данных,
подлинности их источника, запрета несанкционированного
воспроизведения и копирования, конфиденциальности данных и других
средств защиты. В стандарте введена защита фрейма управления, а
дополнительные меры безопасности позволяют нейтрализовать внешние
14
атаки (DoS). Эти меры обеспечат безопасность для наиболее уязвимой
сетевой информации по IEEE 802.11r, k, y.
Потребность в беспроводном доступе к локальным сетям растёт по
мере увеличения числа мобильных устройств, таких как ноутбуки и PDA
(рисунок 1.5).
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..5
Рост WLAN
1.4. Преимущества и особенности Wi-Fi
Беспроводная технология Wi-Fi обладает следующими
особенностями:
- поддержка множественных диапазонов частот (2,4 ГГц, 5 ГГц и в
перспективе 60 ГГц);
- сокращение эксплуатационных расходов благодаря поддержке
методов повышения пропускной способности;
- обеспечение бесшовного роуминга для пользовательских
терминалов;
- поддержка качества обслуживания на уровне корпоративного
класса;
- поддержка множественных сетевых идентификаторов (SSID) для
дифференцирования услуг;
- реализация функций управления авторизацией, аутентификацией и
учетом (ААА);
- сокращение затрат благодаря поддержке структуры ячеистых
сетей;
- оптимизация управления параметрами радиоинтерфейса.
Беспроводная технология Wi-Fi обладает следующими
15
преимуществами:
- поддержка множественных диапазонов частот позволит
операторам более эффективно и гибко использовать радиочастотный
ресурс и тем самым уменьшить себестоимость услуг;
- применение спецификации IEEE 802.11n позволяет увеличить
скорость передачи данных до 300 Мбит/с и улучшить радиопокрытие за
счет функции агрегирования кадров, объединения каналов и
пространственного мультиплексирования;
- пользователи Wi-Fi после авторизации и аутентификации в
ближайшей точке доступа сохраняют такие же права и в остальных точках
доступа, что позволяет избежать прерывания обслуживания при
повторной проверке подлинности во время процедуры перехода между
точками доступа;
- обеспечение высокого качества сервисов за счет поддержки
функций приоритетности мультимедийного трафика (VoIP, потоковое
видео);
- одновременная поддержка каждой точкой доступа Wi-Fi от 4-8
дискретных SSID дает возможность операторам предоставлять различные
уровни безопасности и качества обслуживания для каждого хот-спота и
сети и на этой основе дифференцировать услуги для различных категорий
абонентов;
- поддержка стандарта аутентификации 802.11х через RADIUS-
сервер позволяет операторам реализовать функции авторизации,
аутентификации и учета для управления доступом пользователя;
- поддержка протоколов автоматического вормирования
микросотовой структуры Wi-Fi сети и избежание необходимости
использования кабельной Ethernet-сети в сложных сценариях
развертывания;
- поддержка дополнительных функций (автоматический выбор
канала, интеллектуальный автоматический выбор частоты DFS,
управление мощностью передатчика ТРС), которые позволяют добиться
оптимального покрытия сети с минимальным уровнем помех.
1.5. Выбор стандарта и топологии беспроводной технологии
На сегодняшний день сотовая телефония продемонстрировала
огромную востребованность рынка мобильных абонентов к передаче
голосовых и информационных данных со скоростями от нескольких сотен
килобит до нескольких мегабит в секунду. Создаваемые информационные
системы призваны стать (в большей или меньшей степени) частью
информационной сети, обеспечивающей абонентов глобальным
роумингом. Решение этой задачи связывают с внедрением новых (3G,
WiMAX) и совершенствованием уже существующих (Wi-Fi) технологий
16
беспроводной передачи данных. Одним из вариантов решения подобных
сетей, основанных на кластерной структуре, является технология Mesh.
Информационные сети, организованные по топологии Mesh,
получили за последние полтора-два года большое признание. Масштабы
проектов выросли до тысяч точек доступа и десятков тысяч
пользователей. Mesh-сети представляют наиболее интересные решения,
интегрирующие различные сетевые и радиотехнологии, и потому в
полной мере отвечают все более растущим требованиям абонентов
(мобильность, QoS, безопасность).
Возможность организации с помощью Mesh-топологии локальных
(LAN) и городских (MAN) сетей, легко интегрируемых в глобальные сети
(WAN), является привлекательным фактором для муниципальных и
персональных пользователей [3]. Существующие в настоящее время
Mesh-сети построены с использованием наиболее распространенного
беспроводного стандарта Wi-Fi. Преимущества такого решения очевидны
– широкий спектр дешевых стандартных абонентских устройств
определяет коммерческую успешность проектов.
Среди множества спецификаций беспроводной технологии Wi-Fi
сети наиболее подходящей для развертывания беспроводной сети в
развлекательном центре является IEEE 802.11s.
IEEE 802.11s входит в состав стандарта IEEE 802.11, позволяет
организовать иерархические беспроводные ad hoc сети с мобильными и
статическими узлами (mesh-сети), расширяет функциональность
беспроводного доступа в Интернет и позволяет реализовывать точки
доступа с охватом на порядок более высоким, чем у привычных хот-
спотов (рисунок 1.6).
На базе технологии Mesh созданы системы для организации
мобильной связи с единичными объектами в зоне военных действий,
которые обеспечивают высокоскоростную передачу цифровой
информации, видео- и речевую связь, а также определяют
местоположение объектов.
Определение Mesh приведено в [4] "Mesh – сетевая топология, в
которой устройства объединяются многочисленными (часто
избыточными) соединениями, вводимыми по стратегическим
соображениям".
В первую очередь понятие Mesh определяет принцип построения
сети, отличительной особенностью которой является
самоорганизующаяся архитектура, реализующая следующие возможности
[5]:
17
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..6
Ячеистая топология сетей
- создание зон сплошного информационного покрытия большой
площади;
- масштабируемость сети (увеличение площади зоны покрытия и
плотности информационного обеспечения) в режиме самоорганизации;
- использование беспроводных транспортных каналов (backhaul) для
связи точек доступа в режиме "каждый с каждым";
- устойчивость сети к потере отдельных элементов.
На основе вышеописанного в работе будет применена
спецификация IEEE 802.11s с ячеистой топологией.
1.6. Стек протоколов стандарта Wi-Fi
Беспроводные стандарты 802.11 разработаны главным образом в
качестве адаптации и расширения существующего (802.3) стандартного
Ethernet.
Таким образом, в то время как Ethernet обычно называют в качестве
стандарта LAN, то семейство 802.11 широко известно как беспроводные
локальные сети (WLAN). В тоже время исторически беспроводная
передача данных по сети Alohanet была осуществлена в 1971 году в
Гавайском Университете задолго до появления протокола Ethernet.
Стандарт Radio Ethernet IEEE 802.11 определяет порядок
организации беспроводных сетей на уровне управления доступом к среде
(MAC-уровне) и физическом (PHY) уровне. В стандарте определен один
вариант MAC (Medium Access Control) уровня и три типа физических
каналов (рисунок 1.7). Стандарт IEEE 802.11 работает на двух нижних
уровнях модели ISO/OSI:
18
- физическом;
- канальном.
Рисунок 1.7 – Стек протоколов стандарта Wi-Fi
При этом обе технологии имеют общее то, что используют
разделяемую среду передачи данных, но и имеются различия в Alohanet.
Подобно проводному Ethernet, IEEE 802.11 определяет протокол
использования единой среды передачи, но использует не CSMA/CD, а
получивший название CSMA/CA (Carrier sense multiple access collision
avoidance), в котором:
- используется схема прослушивания несущей волны;
- станция, которая собирается начать передачу посылает jam-сигнал;
- после продолжительного ожидания всех станций, которые могут
послать jam-сигнал, станция начинает передачу фрейма;
- если во время передачи станция обнаруживает jam-сигнал от
другой станции, она останавливает передачу на отрезок времени
случайной длины и затем повторяет попытку.
Ethernet и протоколы WiFi это технологии передачи данных для
развертывания сети. Стандарт Ethernet исторически опирался на
вероятностный контроль несущей множественного доступа (CSMA),
который является сложное потому что прежде чем передать данные узел
согласно алгоритма должен "прослушать среду передачи, прежде чем
передавать" во избежание коллизий.
В беспроводном стандарте IEEE 802.11 вероятность коллизий
беспроводных узлов минимизируется путем предварительной посылки
короткого сообщения, называемого ready to send (RTS), оно информирует
другие узлы о продолжительности предстоящей передачи и адресате. Это
позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное
объявленной длительности сообщения. Приемная станция должна
ответить на RTS посылкой clear to send (CTS). Это позволяет
19
передающему узлу узнать, свободна ли среда и готов ли приемный узел к
приему. После получения пакета данных приемный узел должен передать
подтверждение (ACK) факта безошибочного приема. Если ACK не
получено, попытка передачи пакета данных будет повторена.
В стандарте предусмотрено обеспечение безопасности данных,
которое включает аутентификацию для проверки того, что узел, входящий
в сеть, авторизован в ней, а также шифрование для защиты от
подслушивания.
В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура. Сеть
может состоять из одной или нескольких ячеек (сот). Каждая сота
управляется базовой станцией, называемой точкой доступа (Access Point,
AP). Точка доступа и находящиеся в пределах радиуса ее действия
рабочие станции образуют базовую зону обслуживания (Basic Service Set,
BSS). Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой
через распределительную систему (Distribution System, DS),
представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных
ЛС. Вся инфраструктура, включающая точки доступа и
распределительную систему, образует расширенную зону обслуживания
(Extended Service Set). Стандартом предусмотрен также односотовый
вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки
доступа, при этом часть ее функций выполняется непосредственно
рабочими станциями.
1.7. МАС уровень
В протоколе 802.11 используется алгоритм доступа CSMA/CA.
Задачей МАС уровня является управление доступом к среде
передачи и обеспечение надежности в передаче данных (рисунок 1.8).
При этом производится прослушивание физического и виртуального
каналов. CSMA/CA может работать в двух режимах:
- DCF (Distributed Coordinated Function);
- PCF (Point Coordinated Function).
В первом – станция перед началом передачи прослушивает канал.
Если канал свободен, она начинает передачу данных. При передаче канал
не прослушивается и станция передает кадр полностью. Если канал занят,
отправитель ждет его освобождения и только после этого начинает
передачу. В случае коллизии станции, участвующие в этом событии,
смогут начать передачу через псевдослучайный интервал времени. В этом
режиме работы нет средств централизованного управления. При этом
управление похоже чем-то процедурам, осуществляемым как в
технологии Ethernet. Это обязательное метод, используемый в стандарте
802.11 и использует метод Sense Multiple Sense с предотвращения
столкновений (CSMA-CA) техники. Этот метод позволяет только одному
20
источнику осуществлять передачу по каналу на определенный период
времени, что позволяет избежать столкновения сигнала и его
последующую повторную передачу. После передачи кадра передача в
канале нет на определенное время, которое называется межкадровое
пространство (IFS). В течение этого периода источники могут занять
канал или нет.
В случае занятия канала несколькими станциями для передачи
данных алгоритм применяет приоритет. При этом можно избежать
коллизии. При этом для занятия канала может быть применен вектор
распределения сети (NAV), который предполагает время, в течение
которого текущая передача данных возможна и тогда источник может
проверить канал снова отправить данные.
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..7
Два режима МАС уровня
Второй режим работы предполагает, что базовая станция берет на
себя функцию управления локальной субсетью (рисунок 1.8).
21
Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..8
С функциями централизованного управления
В этом режиме работы используется циклический метод опроса,
основанный на приоритетных циклических алгоритмах. Эта функция
требует координации точкой доступа, функция которого заключается в
разделении времени таким образом, что все информационные источники
могут передавать информацию через различные промежутки времени.
Работа в синхронном режиме, PCF делит время в суперкадре, в течение
которого источники могут осуществить передачу данных. PCF в
обязательном порядке требуется наличие координаторов точка блока
наряду с предоставлением конкретных сроков распределенной услуги
передачи данных.
С другой стороны, DCF не требует координатора, тем самым
источники могут соединяться друг с другом без необходимости
посредника.
1.8. Физический уровень IEEE 802.11
Первоначальные способы расширения спектра в технологии Wi-Fi
предусматривали передачу сигнала одним из двух методов:
- на основе скачков несущей частоты FHSS (Frequency Hopping
Spread Spectrum);
- прямой последовательности DSSS (Direct Sequence Spread
Spectrum).
Эти методы позволяли обеспечивать скорость передачи данных до
1-2 Мбит/с.
Главный принцип технологии расширения диапазона (Spread
Spectrum, SS) состоит в том, чтобы от узкополосного диапазона сигнала,
образующегося при обыкновенном потенциальном кодировании, перейти
к широкополосному диапазону, что позволяет существенно повысить
помехоустойчивость передаваемых данных. Способ расширения
диапазона FHSS предусматривает перемены несущей частоты сигнала при
передаче информации. Для увеличения помехоустойчивости необходимо