Разработка интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi

Разработка интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi

Реферат

Тема дипломной работы: «Разработка интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi».

Пояснительная записка содержит:

листов

рисунков

таблиц

приложение

используемых источников.

Перечень ключевых слов: Wi-Fi, беспроводные сети, локальные сети, технологии, Ethernet, пропускная способность, оборудование, точка доступа, стандарт 802.11, кадр.

Цель работы: разработать сеть доступа, состоящую из проводного сегмента, построенного по технологии Ethernet, и беспроводного сегмента Wi-Fi. Дается описание технологий, принципы действия и варианты использования. В результате разрабатывается схема интегрированной сети с указанием конкретного оборудования и его характеристиками.

Область применения: результаты проделанной работы могут использоваться при построении как беспроводной сети, так и интегрированной сети построенной на технологиях Ethernet и Wi-Fi, как в помещениях, так и на открытом пространстве.

Рекомендации: использовать приведенные в работе результаты по объединению локальных сетей Ethernet и Wi-Fi в единую интегрированную сеть доступа и выбору соответствующего оборудования рекомендуется после утверждения требований к параметрам сети и функциональности устройств.

Содержание

Введение

Глава 1. Технология Ethernet

.1 Спецификации IEEE для локальных сетей

.2 Локальные сети Ethernet

.2.1 Адресация в сетях Ethernet

.2.2 Типы адресации кадров

.2.3 Метод доступа CSMA/CD

.2.4 Форматы кадров технологии Ethernet

.2.4.1 Кадр 802.3/LLC

.2.4.2 Кадр Raw 802.3/Novell 802.3

.2.4.3 Кадр Ethernet DIX/Ethernet II

.2.4.4 Кадр Ethernet SNAP

.3 Спецификации физической среды Ethernet

.3.1 Домен коллизий

.3.2 Физическая среда Ethernet

.3.2.1 10Base-5

1.3.2.2 10Base-2

.3.2.3 10Base-T

.3.2.4 FOIRL

.3.2.5 10Base-FL

.3.2.6 10Base-FB

.3.3 Физическая среда Fast Ethernet

1.3.3.1 Работа в полнодуплексном режиме

.3.3.2 100Base-FX

1.3.3.3 100Base-TX

.3.3.4 100Base-T4

.3.4 Физическая среда Gigabit Ethernet

.3.4.1 1000Base-X

.3.4.2 1000Base-SX

.3.4.3 1000Base-LX

.3.4.4 1000Base-СX

.3.4.5 1000Base-T

Глава 2. Технология Wi-Fi

.1 Спецификации IEEE для локальных беспроводных сетей

.2 Концепции беспроводных физических уровней

.2.1 Технология расширения спектра

.2.2 Модуляция сигнала

.2.3 Локальные беспроводные сети со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS)

.2.4 Локальные беспроводные сети, использующие широкополосную модуляцию DSSS с расширением спектра методом прямой последовательности

.3 Локальные беспроводные сети стандарта 802.11b

.3.1 Подуровень PLCP технологии HR-DSSS стандарта 802.11b

.3.2 Модуляция ССК на подуровне PMD стандарта 802.11b

.3.3 Технология двоичного пакетного сверточного кодирования (PBCC)

.4 Локальные беспроводные сети стандарта 802.11а

.4.1 Технология мультиплексирования с разделением по ортогональным частотам (OFDM)

.5 Локальные беспроводные сети стандарта 802.11 g

.5.1 Метод двоичного пакетного свёрточного кодирования PBCC

.6 Метод доступа к физической среде передачи CSMA/CA

Глава 3. Принципы построения интегрированной сети

.1 Требования, предъявляемые к локальным вычислительным сетям

.1.1 Производительность

.1.2 Надежность и безопасность

.1.3 Расширяемость и масштабируемость

.1.4 Прозрачность

.1.5 Поддержка разных видов трафика

.1.6 Управляемость

.1.7 Совместимость

.2 Обзор топологий локальных сетей Ethernet

.2.1 Физическая и логическая структуризация сети

.2.2 Стандарты кабелей

.2.3 Кабели на основе неэкранированной витой пары

.3 Обзор топологий беспроводных сетей Wi-Fi

.3.1 Независимые базовые зоны обслуживания (IBSS)

.3.2 Базовые зоны обслуживания (BSS)

.3.3 Расширенные зоны обслуживания (ESS)

.3.4 Распределенная функция координации (DCF)

.3.5 Точечная функция координации (PCF)

.4 Возможность соединения станций

.4.1 Процесс зондирования

.4.2 Процесс аутентификации

.4.3 Процесс привязки

.5 Радиочастотный тракт

.5.1 Антенны и их характеристики

.5.2 Типы антенн

.5.3 Основные характеристики приемника

.5.4 Минимальные характеристики радиостанции стандарта 802.11b

.5.5 Минимальные характеристики радиостанции стандарта 802.11a

.6 Развертывание локальных беспроводных сетей

.6.1 Планирование развертывания WLAN

.6.2 Картирование места развертывания сети

.6.3 Проблемы, возникающие при картировании места работ

.7 Беспроводное оборудование, применяемое при построении Wi-Fi сетей

.7.1 Точки доступа Wi-Fi

.7.2 Комбинированные устройства

.7.3 Wi-Fi адаптеры

.7.4 Нестандартные устройства

.7.5 Точки доступа-повторители

.7.6 Универсальные клиенты и мосты рабочих групп

.7.7 Беспроводные мосты

.8 Мобильность сети и пользователей

.8.1 Характеристики роуминга

.8.2 Механизм роуминга стандарта 802.11

.8.3 Предварительное обнаружение точки доступа

.9 Обнаружение точки доступа во время перемещения

.9.1 Процесс роуминга уровня 2

.9.2 Роуминг между доменами роуминга

.9.3 Обнаружение агента

.9.4 Регистрация MN

.9.5 Туннелирование

Глава 4. Архитектура интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi

.1 Беспроводное оборудование, применяемое при построении Wi-Fi сетей

.2 Характеристики оборудования для построения сети

.3 Выбор оборудования

.4 Архитектура интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi

Заключение

Список используемой литературы

Приложение

Введение

На протяжении многих десятилетий проводные и беспроводные виды связи занимали разные ниши на рынке телекоммуникаций. Проводная связь подразумевала надежность и высокую пропускную способность. Беспроводная связь использовалась для передачи информации там, где трудно или просто невозможно создать проводную кабельную сеть, а также там, где нужна свобода передвижения.

Первые беспроводные компьютерные сети воспринимались лишь как средство, позволяющее сотрудникам передвигаться по офису с ноутбуками, а не быть «привязанными» к рабочим местам. Раньше, при использовании в офисах только настольных компьютеров, считалось, что необходимо прокладывать проводную компьютерную сеть для обеспечения их взаимодействия. Использование беспроводного решения было проблематично в силу высокой стоимости оборудования, а также относительно низкой надежности и пропускной способности. Но со временем на рынке появилось новое поколение оборудования для организации беспроводных локальных сетей. Когда необходимо обеспечить свободу передвижения пользователей, достоинства данного типа оборудования по сравнению с традиционной проводной инфраструктурой очевидны.

Беспроводные технологии превосходят проводные по трем параметрам:

·    по срочности;

·        удаленности;

·        мобильности.

Срочность. Данный фактор особенно важен для стран с бурной экономической деятельностью, но сильно отставших в развитии телефонных и локальных сетей общего пользования. Надежные коммуникации нужны немедленно, а для прокладки кабельной сети необходимы колоссальные инвестиции и длительное время. Безусловно, в будущем оптоволоконный кабель сможет решить проблемы фиксированной связи лучше, чем это могут сейчас радиотехнологии, но это дорогой и длительный процесс. Более того, кабельную разводку требуется довести до каждой квартиры или учреждения. Когда все это будет сделано, фиксированная радиосвязь, возможно, будет вытеснена из больших городов и останется для обслуживания преимущественно абонентов в удаленных местностях. это только один из вариантов развития событий.

Удаленность. Преимущество не столько технологического, сколько экономического характера. Оно оказывается решающим при выборе способа подсоединения к сети удаленных абонентов, когда прокладывать кабель экономически нецелесообразно. Это могут быть абоненты, либо разбросанные по обширной малонаселенной территории, либо сгруппированные в удаленном или труднодоступном пункте. В первом случае невыгодной оказывается прокладка или подвеска кабелей абонентского доступа, во втором - магистральных кабелей. Все дело не в уровне экономического развития страны, а в степени заселенности той или иной местности.

Мобильность. Это наиболее очевидное, но не бесспорное для передачи данных отличительное свойство беспроводных технологий. Оно имеет преимущественно технологический, а не экономический характер. Невозможность подсоединения подвижных абонентов является непреодолимым ограничением кабельных сетей, которое распространяется на любой вид коммуникаций - как на обычную телефонную и факсимильную связь, так и на передачу данных. Радиотехнологии позволили решить данную проблему.

На Западе Radio-Ethernet используется преимущественно в корпоративных сетях, охватывающих территорию склада, супермаркета, завода, госпиталя, университетского городка. Если имеются две или несколько разбросанных территорий, то строится общая сеть путем соединения отдельных сегментов через арендованные (у местной телефонной компании) кабельные каналы.

В России (как и в других странах СНГ) сегментация рынка беспроводных сетей несколько иная. Те области деятельности, в которых на Западе наиболее широко применяются беспроводные сети, в России либо еще не применяют их (большие оптовые склады с автоматизированным учетом, супермаркеты), либо испытывают финансовые затруднения (больницы, университеты). Поэтому интерес к таким сетям проявляют самые разные предприятия, в особенности, имеющие несколько отделений, разбросанных по городу.

Рынок беспроводных сетей передачи данных в России, в отличие от западного рынка, формируется в большей мере операторами, чем абонентами: именно операторы закупают оборудование Radio-Ethernet, чтобы с его помощью предоставлять услуги беспроводной связи. Наиболее популярны среди этих услуг - объединение локальных сетей абонента и доступ к всемирной сети Internet. Оборудование Radio-Ethernet прекрасно подходит и для эффективного обеспечения "последней мили" вместо абонентского телефонного кабеля.

В данной дипломной работе рассматривается задача построения интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi.

Основная часть пояснительной записки дипломной работы содержит 4 главы:

1.   Глава 1. Технология Ethernet. В данной главе описываются основы самой популярной на сегодняшний день технологии построения локальных проводных сетей Ethernet.

2.       Глава 2. Технология Wi-Fi. В этой главе рассказывается о разнообразных стандартах беспроводных сетей IEEE 802.11. Особое внимание уделяется физическому уровню, в котором заключаются основные различия между проводными и беспроводными локальными сетями.

.        Глава 3. Принципы построения интегрированной сети. Указываются требования к разрабатываемой сети и способы сопряжения проводного и беспроводного сегментов. Описывается существующие виды оборудования для беспроводных сетей.

.        Глава 4. Архитектура интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi. Проводится анализ представленного на рынке оборудования. Выбираются устройства, отвечающие требованиям, и на их основе строится интегрированная сеть доступа.

Глава 1. Технология Ethernet

1.1 Спецификации IEEE для локальных сетей

В 1980 году в институте IEEE был организован «Комитет 802 по стандартизации локальных сетей», в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802.х, которые содержат рекомендации для проектирования нижних уровней локальных сетей.

Стандарты семейства IEEE 802.x охватывают только два нижних уровня семи уровней модели OSI - физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей.

Специфика локальных сетей нашла также свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня:

·    подуровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC);

·        подуровень логической передачи данных (Logical Link Control, LLC).

Рисунок 1. Модель ЭМВОС (OSI)

уровень появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети. После того, как доступ к среде получен, ею может пользоваться следующий подуровень, организующий надежную передачу логических единиц данных - кадров информации.

Уровень LLC отвечает за достоверную передачу кадров данных между узлами, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Для уровня LLC также существует несколько вариантов протоколов, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня. [1]

Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы - каждый протокол MAC-уровня может применяться с любым типом протокола LLC-уровня и наоборот.

Стандарт IEEE 802 содержит несколько разделов:

·    в разделе 802.1 приводятся основные понятия и определения, общие характеристики и требования к локальным сетям;

·        раздел 802.2 определяет подуровень управления логическим каналом LLC;

·        Разделы 802.x регламентируют спецификации различных протоколов подуровня доступа к среде MAC и их связь с уровнем LLC, в частности, рассматриваемые в данной работе:

o  стандарт 802.3 - ЛВС на основе технологии Ethernet описывает коллективный доступ с опознаванием несущей и обнаружением конфликтов (Carrier sense multiple access with collision detection - CSMA/CD);

o   стандарт 802.11 - Wireless Networks, определяет коллективный доступ с опознаванием несущей и избеганием конфликтов (Carrier sense multiple access with collision avoiding - CSMA/CA).

Для каждого из этих стандартов определены спецификации физического уровня, определяющие среду передачи данных (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или радиоэфир), ее параметры, а также методы кодирования информации для передачи по данной среде.

Все методы доступа используют протоколы уровня управления логическим каналом LLC, описанным в стандарте 802.2.

Уровень управления логическим каналом LLC предоставляет верхним уровням три типа процедур:

·    LLC1 - сервис без установления соединения и без подтверждения;

·        LLC2 - сервис с установлением соединения и подтверждением;

·        LLC3 - сервис без установления соединения, но с подтверждением.

Этот набор процедур является общим для всех методов доступа к среде, определенных стандартами 802.x.

Сервис без установления соединения и без подтверждения LLC1 дает пользователю средства для передачи данных с минимумом издержек. Обычно, этот вид сервиса используется тогда, когда такие функции как восстановление данных после ошибок и упорядочивание данных выполняются протоколами вышележащих уровней, поэтому нет нужды дублировать их на уровне LLC.

Сервис с установлением соединений и с подтверждением LLC2 дает пользователю возможность установить логическое соединение перед началом передачи любого блока данных и, если это требуется, выполнить процедуры восстановления после ошибок и упорядочивание потока этих блоков в рамках установленного соединения.

Сервис без установления соединения, но с подтверждением LLC3 используется в случаях, когда временные издержки установления логического соединения перед отправкой данных неприемлемы, а подтверждение корректности приема переданных данных необходимо.

По своему назначению все кадры уровня LLC подразделяются на три типа:

·    Информационные кадры предназначены для передачи информации в процедурах с установлением логического соединения и должны обязательно содержать поле информации. В процессе передачи информационных блоков осуществляется их нумерация в режиме скользящего окна;

·        Управляющие кадры предназначены для передачи команд и ответов в процедурах с установлением логического соединения, в том числе запросов на повторную передачу искаженных информационных блоков.

·        Ненумерованные кадры предназначены для передачи ненумерованных команд и ответов, выполняющих в процедурах без установления логического соединения передачу информации, идентификацию и тестирование LLC-уровня, а в процедурах с установлением логического соединения - установление и разъединение логического соединения, а также информирование об ошибках.

Все типы кадров уровня LLC имеют единый формат:

Рисунок 2. Формат кадра уровня LLC

Кадр LLC обрамляется двумя однобайтовыми полями «Флаг», имеющими значение 01111110. Флаги используются на MAC-уровне для определения границ блока.

Поле данных кадра LLC предназначено для передачи по сети пакетов протоколов верхних уровней, например IP. Поле данных может отсутствовать в управляющих кадрах и некоторых ненумерованных кадрах.

Поле управления (занимает один байт) используется для обозначения типа кадра данных - информационный, управляющий или ненумерованный. Кроме этого, в этом поле указываются порядковые номера отправленных и успешно принятых кадров, если подуровень LLC работает по процедуре LLC2 с установлением соединения.

Адресные поля DSAP и SSAP (адрес точки входа сервиса назначения и адрес точки входа сервиса источника) занимают по 1 байту. Они позволяют указать, какой сервис верхнего уровня пересылает данные с помощью этого кадра. Программному обеспечению узлов сети при получении кадров канального уровня необходимо распознать, какой протокол вложил свой пакет в поле данных поступившего кадра, для того, чтобы передать извлеченный из кадра пакет нужному протоколу для последующей обработки. Для идентификации этих протоколов вводятся так называемые адреса точки входа службы SAP - Service Access Point. Значения адресов SAP приписываются протоколам в соответствии со стандартом 802.2.

С помощью управляющих кадров протокол LLC имеет возможность регулировать поток данных, поступающих от узлов сети.

1.2 Локальные сети Ethernet

Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. Метод доступа был опробован во второй половине 60-х годов ХХ века в радиосети Гавайского университета, в которой использовались различные варианты случайного доступа к общей радиосреде, получившие общее название Aloha.

На сегодняшний день Ethernet - это самый распространенный стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, работающих по протоколу Ethernet в настоящее время, оценивается в несколько миллионов, а количество компьютеров с установленными сетевыми адаптерами Ethernet - в несколько десятков миллионов.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации: 10Base-5, 10Base-2,10Base-T, l0Base-FL, l0Base-FB.

В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet, описание которого просто является дополнительным разделом к основному стандарту 802.3 - разделом 802.3u. Официально стандарт 802.3u установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия: 100Base-TX, 100Base-T4, 100Base-FX.

Аналогично, принятый в 1998 году стандарт Gigabit Ethernet описан в разделе 802.3z основного документа и имеет следующие спецификации: 1000BASE-T и 1000BASE-X.

Все виды стандартов Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод CSMA/CD. [2]

1.2.1 Адресация в сетях Ethernet

Адреса Ethernet представляют собой 48-разрядные значения, которые однозначно идентифицируют Ethernet-станции локальной сети. Ethernet-адреса отчасти назначаются в рамках глобальной системы идентификации курируемой IEEE, отчасти - производителями оборудования. Организация IEEE назначает каждому поставщику 24-разрядный уникальный организационный идентификатор (OUI). Этот идентификатор включается в Ethernet-адрес в качестве первых 24-х разрядов. Благодаря этому гарантируется уникальность Ethernet-адреса.

Поскольку при такой системе адресации используется физический интерфейс, ее также называют МАС-адресацией. В большинстве случаев МАС-адреса представляются в шестнадцатеричной форме, причем каждый байт отделяется дефисом или двоеточием, либо каждые два байта отделяются точкой:

-11-95-E4-85-4C, 00:11:95:E4:85:4C, 0011.95E4.854C

Уникальный организационный идентификатор предоставляет в распоряжение производителя 10²⁴, или 16 777 216, возможных адресов.

1.2.2 Типы адресации кадров

Различаются одноадресатные, многоадресатные и широковещательные кадры.

При широковещательной адресации станция направляет кадр всем станциям широковещательного домена. Широковещательный адрес Ethernet содержит особый 48-разрядный адрес приемника, все биты которого имеют значение 1 или FF в шестнадцатеричном виде. Широковещательный адрес имеет вид FF - FF - FF - FF - FF - FF.

Широковещательные кадры принимаются и обрабатываются всеми станциями домена. Каждая станция определяет, содержит ли кадр данные, предназначенные именно для нее или нет. Станция, получающая широковещательные кадры предназначающиеся не ей, использует свой центральный процессор (ЦП) для их обработки, в то время как его должны были бы использовать для своих нужд другие ресурсы станции. Процесс обработки таких кадров может показаться простым делом, однако возникшая широковещательная лавина может вызвать перегрузку в сети и подключенных к ней станций.

Многоадресатные кадры позволяют отправителю направлять их сразу группе получателей, а не одному. Благодаря этому процессу в определенных ситуациях снижается нагрузка на сеть за счет того, что станциям не приходится передавать некоторые кадры несколько раз, чтобы их могли получить все станции, для которых предназначены кадры. На рассылку многоадресатных кадров должна быть проведена своеобразная "подписка". Это означает, что станция-приемник должна изъявить желание получать их. Если станция-приемник не подписалась на прием многоадресатных кадров, предназначенные определенной группе станций, она не принимает эти кадры.

Одноадресатная рассылка представляет собой простейший и прямой способ передачи данных станции-получателю. Передающая станция направляет кадр с адресом назначения, конкретной станции с соответствующим Ethernet-адресом. Только эта приемная станция получает и обрабатывает фрейм и его содержимое. [3]

Ethernet предлагает все три метода адресации, благодаря чему приложения могут использовать наиболее приемлемый для них метод и тем самым снижать нагрузку на сеть.

1.2.3 Метод доступа CSMA/CD

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий - carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD.

Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной. Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя станциями в сети. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно, с учетом задержки распространения сигнала по физической среде, получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet.

Рисунок 3. Метод доступа к среде CSMA/CD

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.

Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier-sense, CS). Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты.

Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. Этот кадр изображен на рис. 3 первым. Станция 1 обнаружила, что среда свободна, и начала передавать свой кадр. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой, которая состоит из 7 байт, состоящих из значений 10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовый и побайтовый синхронизм с передатчиком.

Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю ответ. Адрес источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Станция 2 во время передачи кадра первой станцией также пыталась начать передачу своего кадра, однако обнаружила, что среда занята - на ней присутствует несущая частота, и вынуждена ждать, пока станция 1 не прекратит передачу своего кадра.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать межкадровый интервал (Inter Packet Gap) длительностью 9,6 мкс. Эта пауза нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания межкадрового интервала станции имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна.

В приведенном примере на рисунке 3 стация 2 дождалась окончания передачи кадра станцией 1, сделала паузу в 9,6 мкс и начала передачу своего кадра.

Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра станцией 1.

Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начнут передавать свои кадры. В таком случае происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации - методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала.

Коллизия - это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet, являющаяся следствием распределенного характера сети. Суть состоит в том, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого могут просто не успеть дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. В примере, изображенном на рис. 3, коллизию породила одновременная передача данных станциями 3 и 1.

Для корректной обработки коллизии, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью.

После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:

Пауза = L*(интервал отсрочки),

где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам.

Битовый интервал - bt соответствует времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле. Для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс или 100 нс.

L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0, 2^N], где N - номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2,..., 10. Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет стерт принимающей станцией.

Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение: Tmin ≥ PDV, где Tmin - время передачи кадра минимальной длины, PDV - время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети.

PDV - время двойного оборота (Path Delay Value), так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети. В одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал.

При выполнении этого условия передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ею кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра. Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости распространения сигнала в кабеле.

Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра составляет 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преамбулой - 72 байт или 576 бит). Отсюда может быть определено ограничение на расстояние между станциями.

Таким образом, в Ethernet 10 Mбит/с время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовых интервалов, следовательно, время двойного оборота должно быть меньше 57,5 мкс. Учитывая, что за это время сигнал должен пройти по линии связи дважды, расстояние между двумя узлами не должно быть больше 6 635 м. В стандарте величина этого расстояния выбрана существенно меньше, с учетом других, более строгих ограничений.

Одно из таких ограничений связано с предельно допустимым затуханием сигнала. Для обеспечения необходимой мощности сигнала при его прохождении между наиболее удаленными друг от друга станциями сегмента кабеля максимальная длина непрерывного сегмента толстого коаксиального кабеля с учетом вносимого им затухания выбрана в 500 метров.

Повторители увеличивают мощность передаваемых с сегмента на сегмент сигналов, в результате затухание сигналов уменьшается и можно использовать сеть гораздо большей длины, состоящую из нескольких сегментов. В коаксиальных реализациях Ethernet максимальное количество сегментов в сети ограничено пятью, что в свою очередь ограничивает общую длину сети 2500 метрами.

В действительности в таких многосегментных сетях сами повторители вносят в распространение сигнала дополнительную задержку в несколько десятков битовых интервалов, и временной запас существенно уменьшается.

В результате учета всех этих и некоторых других факторов было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной кадра и максимально возможным расстоянием между станциями сети, которое обеспечивает надежное распознавание коллизий. Это расстояние называют также максимальным диаметром сети.

Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-нибудь сможет получить доступ к среде. При небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным.

Сегодня существуют приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, которые могут очень сильно загружать сегменты сети Ethernet. При этом коллизии возникают гораздо чаще. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить объем передаваемого трафика, либо повысить скорость протокола, например, перейти на Fast Ethernet. [1]

1.2.4 Форматы кадров технологии Ethernet

На практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов (типов). Различия в форматах кадров могут приводить к несовместимости в работе аппаратуры и сетевого программного обеспечения, рассчитанного на работу только с одним стандартом кадра Ethernet. Однако сегодня практически все сетевые адаптеры, драйверы сетевых адаптеров, мосты, коммутаторы и маршрутизаторы умеют работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии Ethernet, причем распознавание типа кадра выполняется автоматически.

Ниже приводится описание всех четырех типов кадров Ethernet. Однако один и тот же тип кадра может иметь разные названия, поэтому для каждого типа кадра приведено по нескольку наиболее употребительных названий:

·    кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 или кадр Novell 802.2);

·        кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3);

·        кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);

·        кадр Ethernet SNAP.

.2.4.1 Кадр 802.3/LLC

Заголовок кадра 802.3/LLC является результатом объединения полей заголовков кадров, определенных в стандартах IEEE 802.3 и 802.2. Формат кадра 802.3/LLC (без поля преамбулы и начального ограничителя кадра) показан на рисунке 4.

Поле преамбулы (Preamble) состоит из семи синхронизирующих байт 10101010. При манчестерском кодировании эта комбинация представляется в физической среде периодическим волновым сигналом с частотой 5 МГц.

Начальный ограничитель кадра (Start-of-frame-delimiter, SFD) состоит из одного байта 10101011. Появление этой комбинации бит является указанием на то, что следующий байт - это первый байт заголовка кадра.

Рисунок 4. Формат кадра 802.3/LLC

Адрес назначения (Destination Address, DA) может быть длиной 2 или 6 байт. На практике всегда используются адреса из 6 байт. Первый бит старшего байта адреса назначения является признаком того, является адрес индивидуальным или групповым. Если он равен 0, то адрес является индивидуальным (unicast), a если 1, то это групповой адрес (multicast). Групповой адрес может предназначаться всем узлам сети или же определенной группе узлов сети.

Второй бит старшего байта адреса определяет способ назначения адреса - централизованный или локальный. Если этот бит равен 0 (а так бывает почти всегда в стандартной аппаратуре Ethernet), то адрес назначен централизованно, с помощью комитета IEEE.

Адрес источника (Source Address, SA) - это 2- или 6-байтовое поле, содержащее адрес узла - отправителя кадра. Первый бит адреса всегда имеет значение 0.

Длина (Length, L) - 2-байтовое поле, которое определяет длину поля данных в кадре.

Поле данных (Data) может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения, - чтобы дополнить кадр до минимально допустимого значения в 46 байт.

Поле заполнения (Padding) состоит из такого количества байт заполнителей, которое обеспечивает минимальную длину поля данных в 46 байт. Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре не появляется. Поле контрольной суммы (Frame Check Sequence, FCS) состоит из 4 байт, содержащих контрольную сумму. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32. После получения кадра рабочая станция выполняет собственное вычисление контрольной суммы для этого кадра, сравнивает полученное значение со значением поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр.

Кадр 802.3 является кадром МАС-подуровня, поэтому в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра. Так как кадр LLC имеет заголовок длиной 3 (в режиме LLC1) или 4 байт (в режиме LLC2), то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 или 1496 байт.

1.2.4.2 Кадр Raw 802.3/Novell 802.3

Формат кадра Raw 802.3, называемого также кадром Novell 802.3, представлен на рисунке 5.

Рисунок 5. Формат кадра Raw802.3/Novell 802.3

По сути, это кадр подуровня MAC стандарта 802.3, но без вложенного кадра подуровня LLC. Компания Novell долгое время не использовала служебные поля кадра LLC в своей операционной системе NetWare из-за отсутствия необходимости идентифицировать тип информации, вложенной в поле данных, - там всегда находился пакет протокола IPX, долгое время бывшего единственным протоколом сетевого уровня в ОС NetWare.

После того как, необходимость идентификации протокола верхнего уровня появилась, компания Novell стала использовать возможность инкапсуляции в кадр подуровня MAC кадра LLC, то есть использовать стандартные кадры 802.3/LLC. Такой кадр компания обозначает теперь в своих операционных системах как кадр 802.2, хотя он является комбинацией заголовков 802.3 и 802.2.

.2.4.3 Кадр Ethernet DIX/Ethernet II

Кадр Ethernet DIX, называемый также кадром Ethernet II, имеет структуру (см. рисунок 6), совпадающую со структурой кадра Raw 802.3.

Рисунок 6. Формат кадра Ethernet DIX/Ethernet II

Однако 2-байтовое поле Длина(L) кадра Raw 802.3 в кадре Ethernet DIX используется в качестве поля типа протокола. Это поле, называется Туре (Т) или EtherType, предназначено для тех же целей, что и поля DSAP и SSAP кадра LLC, т.е. для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра.

В то время как коды протоколов в полях SAP имеют длину в один байт, в поле Туре для кода протокола отводятся 2 байта. Поэтому один и тот же протокол в поле SAP и поле Туре будет кодироваться в общем случае разными числовыми значениями.

.2.4.4 Кадр Ethernet SNAP

Для устранения разнобоя в кодировках типов протоколов, сообщения которых вложены в поле данных кадров Ethernet, комитетом 802.2 была проведена работа по дальнейшей стандартизации кадров Ethernet. В результате появился кадр Ethernet SNAP (SNAP - Subnetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP (см. рисунок 7) представляет собой расширение кадра 802.3/LLC за счет введения дополнительного заголовка протокола SNAP, состоящего из двух полей: OUI и Туре.

Рисунок 7. Формат кадра Ethernet SNAP

Поле Туре состоит из 2-х байт и повторяет по формату и назначению поле Туре кадра Ethernet II, то есть в нем используются те же значения кодов протоколов.

Поле OUI (Organizationally Unique Identifier) определяет идентификатор организации, которая контролирует коды протоколов в поле Туре.

С помощью заголовка SNAP достигнута совместимость с кодами протоколов в кадрах Ethernet II, а также создана универсальная схема кодирования протоколов. Коды протоколов для технологий 802 контролирует IEEE, которая имеет OUI, равный 000000. Если в будущем потребуются другие коды протоколов для какой-либо новой технологии, для этого достаточно указать другой идентификатор организации, назначающей эти коды, а старые значения кодов останутся в силе (в сочетании с другим идентификатором OUI).

Так как SNAP представляет собой протокол, вложенный в протокол LLC, то в полях DSAP и SSAP записывается код ОхАА, отведенный для протокола SNAP. Поле Control заголовка LLC устанавливается в 0x03, что соответствует использованию ненумерованных кадров. [1]

1.3 Спецификации физической среды Ethernet

1.3.1 Домен коллизий

В технологии Ethernet, независимо от применяемого стандарта физического уровня, существует понятие домена коллизий.

Домен коллизий (Collision Domain) - это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла. Сеть Ethernet, построенная на повторителях, всегда образует один домен коллизий. Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий.

Приведенная на рисунке 9 сеть представляет собой один домен коллизий. Если, например, столкновение кадров произошло в концентраторе 4, то в соответствии с логикой работы концентраторов 10Base-T сигнал коллизии распространится по всем портам всех концентраторов и все узлы сети будут оповещены о коллизии.

1.3.2 Физическая среда Ethernet

.3.2.1 10Base-5

Стандарт 10Base-5 в основном соответствует экспериментальной сети Ethernet фирмой Xerox и может считаться классическим Ethernet. Он использует в качестве среды передачи данных коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, диаметром центрального медного провода 2,17 мм и внешним диаметром около 10 мм («толстый» коаксиал).

Кабель используется как моноканал для всех станций. Сегмент кабеля имеет максимальную длину 500 м (без повторителей) и должен иметь на концах согласующие терминаторы сопротивлением 50 Ом, поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов (см. рис. 8). Станция должна, подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика - трансивера. Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера. Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attach-nent Unit Interface) длиной до 50 м, состоящим из 4 витых пар. Т.о. адаптер обязательно должен иметь разъем AUI.

Трансивер - это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции:

·    прием и передача данных с кабеля на кабель;

·        определение коллизий на кабеле;

·        электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера;

·        защита кабеля от некорректной работы адаптера.

Рисунок 8. Фрагмент сети, построенной по стандарту 10Base-5

Стандарт 10Base-5 определяет возможность использования в сети специального устройства - повторителя (repeater). Повторитель служит для объединения в одну сеть нескольких сегментов кабеля и увеличения тем самым общей длины сети. Повторитель принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно повторяет их в другом сегменте, улучшая форму и мощность импульсов, а также синхронизируя импульсы. Повторитель состоит из двух (или нескольких) трансиверов, которые присоединяются к сегментам кабеля, а также блока повторения со своим тактовым генератором.

Правило применения повторителей в сети Ethernet 10Base-5 носит название «правило 5-4-3»: 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента, то есть таких сегмента, к которым подключаются конечные узлы. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети 10Base-5 в 2500 метров.

Ограниченное число повторителей объясняется дополнительными задержками распространения сигнала, которые они вносят.

К достоинствам стандарта 10Base-5 можно отнести:

·    хорошую защищенность кабеля от внешних воздействий;

·        сравнительно большое расстояние между узлами;

·        возможность простого перемещения рабочей станции в пределах длины кабеля AUI.

Недостатками 10Base-5 являются:

·    высокая стоимость кабеля;

·        сложность его прокладки из-за большой жесткости;

·        потребность в специальном инструменте для заделки кабеля;

·        остановка работы всей сети при повреждении кабеля или плохом соединении;

·        необходимость заранее предусмотреть подводку кабеля ко всем возможным местам установки компьютеров.

.3.2.2 10Base-2

Стандарт 10Base-2 использует в качестве передающей среды коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 0,89 мм и внешним диаметром около 5 мм («тонкий» коаксиал). Кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом.

Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент должен иметь на концах согласующие терминаторы 50 Ом. Станции подключаются к кабелю с помощью высокочастотного BNC Т-коннектора, который представляет собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других - с двумя концами разрыва кабеля.

Стандарт 10Base-2 также предусматривает использование повторителей, число которых также не должно превышать 4 штук. В этом случае сеть будет иметь максимальную длину в 5x185 = 925 метров.

Трансиверы объединены с сетевыми адаптерами за счет того, что более гибкий тонкий коаксиальный кабель может быть подведен непосредственно к выходному разъему платы сетевого адаптера, установленной в системный блок компьютера.

Общим недостатком стандартов 10Base-5 и 10Base-2 является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала. Повреждение кабеля обнаруживается сразу же, (сеть перестает работать), но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим специальный прибор - кабельный тестер.

1.3.2.3 10Base-T

Сети 10Base-T используют в качестве среды две неэкранированные витые пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Одна витая пара требуется для передачи данных от станции к повторителю (выход Тх сетевого адаптера), а другая - для передачи данных от повторителя к станции (вход Rx сетевого адаптера).

Многопортовые повторители при использовании технологии 10Base-T обычно называются концентраторами или хабами. Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных - логический моноканал (логическая общая шина).

Стандарт определяет битовую скорость передачи данных 10 Мбит/с и максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при наличии витой пары качества не ниже категории 3.

Концентраторы 10Base-T можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые предназначены для подключения конечных узлов. При этом нужно позаботиться о том, чтобы передатчик и приемник одного порта были соединены соответственно с приемником и передатчиком другого порта.

Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов» и оно заменяет «правило 5-4-3», применяемое к коаксиальным сетям. При создании сети 10Base-T с большим числом станций концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру (см. рис. 9).

Рисунок 9. Иерархический способ построения сети Ethernet 10Base-T

Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать общего предела в 1024. Максимальная длина сети в 2500 м здесь понимается как максимальное расстояние между любыми двумя конечными узлами сети - «максимальный диаметр сети». Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети 10Base-T составляет 5x100 = 500 метров.

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству (хабу). Логически эти отрезки по-прежнему образуют общую разделяемую среду, но их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме.

В стандарте 10Base-T определена процедура тестирования физической работоспособности двух отрезков витой пары, соединяющих трансивер конечного узла и порт повторителя. Появление между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие, является главным преимуществом технологии 10Base-T по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями.

.3.2.4 FOIRL

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) представляет собой первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей между любыми узлами сети - 4. Максимального диаметра в 2500 м здесь достичь можно, хотя максимальные отрезки кабеля между всеми 4 повторителями, а также между повторителями и конечными узлами недопустимы - иначе получится сеть длиной 5000 метров.

.3.2.5 10Base-FL

Стандарт 10Base-FL представляет собой незначительное улучшение стандарта FOIRL. Увеличена мощность передатчиков, поэтому максимальное расстояние между узлом и концентратором увеличилось до 2000 м. Максимальное число повторителей между узлами осталось равным 4, а максимальная длина сети - 2500 метров.

.3.2.6 10Base-FB

Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей 10Base-FB при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 метров.

Повторители, соединенные по стандарту 10Base-FB, при отсутствии кадров для передачи постоянно обмениваются специальными последовательностями сигналов, отличающимися от сигналов кадров данных, для поддержания синхронизации.

Как и в стандарте 10Base-T, оптоволоконные стандарты Ethernet разрешают соединять концентраторы только в древовидные иерархические структуры. Любые петли между портами концентраторов не допускаются. [2]

1.3.3 Физическая среда Fast Ethernet

Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (см. рис. 10). Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их описывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2.

Рисунок 10. Стек протоколов Fast Ethernet

По сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), в Fast Ethernet отличия каждого варианта от других глубже - меняется как количество проводников, так и методы кодирования.

Официальный стандарт 802.3u установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия:

·    100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Туре1;

·        100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;

·        100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна.

Форматы кадров технологии Fast Ethernet отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet.

Межкадровый интервал (IPG) равен 0,96 мкс, а битовый интервал равен 10 нс. Все временные параметры алгоритма доступа (интервал отсрочки, время передачи кадра минимальной длины и т. п.), измеренные в битовых интервалах, остались прежними, поэтому изменения в разделы стандарта, касающиеся уровня MAC, не вносились.

Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа Idle, соответствующего избыточного кода, а не отсутствие сигналов, как в стандартах Ethernet 10 Мбит/с.

Физический уровень включает три элемента:

·    уровень согласования (reconciliation sublayer);

·        независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, МII);

·        в устройство физического уровня (Physical layer device, PHY).

Уровень согласования нужен для того, чтобы уровень MAC, рассчитанный на интерфейс АUI, смог работать с физическим уровнем через интерфейс МII.

Устройство физического уровня (PHY) состоит, в свою очередь, из нескольких подуровней (см. рис. 10):

·    подуровня логического кодирование данных, преобразующего поступающие от уровня MAC байты в символы кода 4В/5В или 8В/6Т (оба кода используются в технологии Fast Ethernet);

·        подуровней физического присоединения и подуровня зависимости от физической среды (PMD), которые обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, например NRZI или MLT-3;

·        подуровня автопереговоров, который позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы, например, полудуплексный или полнодуплексный.

Интерфейс МII поддерживает независимый от физической среды способ обмена данными между подуровнем MAC и подуровнем PHY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI классического Ethernet за исключением того, что интерфейс АUI располагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вариантов кабеля использовался одинаковый метод физического кодирования - манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс MII располагается между подуровнем MAC и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три - FX, ТХ и Т4. [1]

.3.3.1 Работа в полнодуплексном режиме

Как известно, CSMA/CD - это методология, на которой основаны полудуплексный Ethernet и Fast Ethernet.

Работа в полнодуплексном режиме позволяет передавать и принимать сигналы одновременно, благодаря чему более полно используются возможности среды передачи. Однако требования, предъявляемые к станциям, работающим в полнодуплексном режиме, существенно меняются.

Полнодуплексный режим работы позволяет технологиям Ethernet избежать ограничений на расстояние передачи, характерных для полудуплексного режима. Преимущества от увеличения расстояния можно реализовать только с помощью волоконно-оптического интерфейса (используемого в технологии 100BASE-FX), поскольку ограничения, накладываемые на максимальное расстояние при использовании кабелей на основе витых пар, обусловлены физическими свойствами среды передачи, а не диаметром сети, который ограничен интервалов Ethernet или Fast Ethernet.

Полнодуплексные устройства не могут работать совместно с полудуплексными. Главная проблема сетей с разнородной средой передачи состоит в возникновении "ошибок дуплексного рассогласования" (duplex mismatch errors). Эти ошибки появляются при соединении полудуплексной и полнодуплексных станций. В результате возникает множество ошибок при передаче пакетов, таких как запоздалая коллизия и утерянные пакеты.

Полнодуплексные устройства начинают передавать данные, как только могут сделать это, не контролируя наличие несущей в среде передачи. Если полудуплексное устройство передает в это время информацию, возникает коллизия, которую полнодуплексное устройстве не обнаруживает. Поэтому так важно сличать режимы работы входящих в сеть устройств, для чего используется функция автопереговоров, о которой будет рассказано ниже. [3]

.3.3.2 100Base-FX

Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы кодирования FDDI. Как и в стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (Rx) и от передатчика (Тх).

В стандарте Fast Ethernet определен метод кодирования - 4В/5В. При этом методе каждые 4 бита данных подуровня MAC (называемых символами) представляются 5 битами. Избыточный бит позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических импульсов.

Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей с 100Base-FX.

Рисунок 11. Поток данных спецификаций 100Base-FX/TX

Для отделения кадра Ethernet от символов Idle используется комбинация символов Start Delimiter (пара символов) (11000) и JК (10001) кода 4В/5В, а после завершения кадра перед первым символом Idle вставляется символ Т (рис. 11).

После преобразования 4-битовых порций кодов MAC в 5-битовые порции физического уровня их необходимо представить в виде оптических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификация 100Base-FX использует для этого метод физического кодирования - NRZI.

.3.3.3 100Base-TX

В качестве среды передачи данных спецификация 100Base-TX использует кабель UTP категории 5 или кабель STP Type 1. Максимальная длина кабеля в обоих случаях - 100 метров.

В стандарте Fast Ethernet 100Base-TX определен метод кодирования - 4В/5В. Формат кадра в данной спецификации аналогичен формату кадра 100Base-FX.

Основные отличия от спецификации 100Base-FX - использование метода MLT-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5В по витой паре, а также наличие функции автопереговоров (Auto-negotiation) для выбора режима работы порта. Схема автопереговоров позволяет двум физически соединенным устройствам, которые поддерживают несколько стандартов физического уровня, отличающихся битовой скоростью и количеством витых пар, выбрать наиболее выгодный режим работы. Обычно процедура автопереговоров происходит при подсоединении сетевого адаптера, который может работать на скоростях 10 и 100 Мбит/с, к концентратору или коммутатору.

Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства 100Base-TX или 100Base-T4 на витых парах:

·   10Base-T - 2 пары категории 3;

·        10Base-T полный дуплекс - 2 пары категории 3;

·        100Base-TX - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP);

·        100Base-T4 - 4 пары категории 3;

·        100Base-TX полный дуплекс - 2 пары категории 5 (или Туре 1A STP).

Режим 10Base-T имеет самый низкий приоритет при переговорном процессе, а полнодуплексный режим 100Base-T4 - самый высокий. Переговорный процесс происходит при включении питания устройства, а также может быть инициирован в любой момент модулем управления устройства.

Устройство, начавшее процесс auto-negotiation, посылает своему партнеру пачку специальных импульсов Fast Link Pulse burst (FLP), в котором содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом. Если узел-партнер поддерживает функцию auto-negotuiation и также может поддерживать предложенный режим, он отвечает пачкой импульсов FLP, в которой подтверждает данный режим, и на этом переговоры заканчиваются. Если же узел-партнер может поддерживать менее приоритетный режим, то он указывает его в ответе, и этот режим выбирается в качестве рабочего. Таким образом, всегда выбирается наиболее приоритетный общий режим узлов.

1.3.3.4 100Base-T4

Спецификация 100Base-T4 разработана для того, чтобы можно было использовать имеющуюся проводку на витой паре категории 3 для передачи на скорости 100 Мбит/с. Эта спецификация позволяет повысить общую пропускную способность за счет одновременной передачи потоков бит по всем 4 парам кабеля.

Вместо кодирования 4В/5В в этом методе используется кодирование 8В/6Т, которое обладает более узким спектром сигнала и при скорости 33 Мбит/с укладывается в полосу 16 МГц витой пары категории 3 (UTP 3).

Каждые 8 бит информации уровня MAC кодируются 6-ю троичными цифрами (ternary symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная цифра имеет длительность 40 нc. Группа из 6-ти троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно.

Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33,3 Мбит/с, поэтому общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мбит/с. [2]

1.3.4 Физическая среда Gigabit Ethernet

Отметим общие черты в технологии Gigabit Ethernet по сравнению с технологиями Ethernet и Fast Ethernet:

·    сохраняются все форматы кадров Ethernet;

·        по-прежнему существуют полудуплексная версия протокола, поддерживающая метод доступа CSMA/CD, и полнодуплексная версия, работающая с коммутаторами;

·        поддерживаются все основные виды кабелей, используемых в Ethernet и Fast Ethernet: волоконно-оптический, витая пара категории 5 и коаксиал.

При разработке стандарта Gigabit Ethernet стояло несколько трудно разрешимых проблем. Одной из них была задача обеспечения приемлемого диаметра сети для полудуплексного режима работы. В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяемой среды допускала бы длину сегмента всего в 25 метров при сохранении размера кадров и всех параметров метода CSMA/CD неизменными.

Другой сложнейшей задачей было достижение битовой скорости 1000 Мбит/с на основных типах кабелей. Даже для оптоволокна достижение такой скорости представляет некоторые проблемы, так как технология Fibre Channel, физический уровень которой был взят за основу для оптоволоконной версии Gigabit Ethernet, обеспечивает скорость передачи данных всего в 800 Мбит/с. Битовая скорость на линии равна в этом случае примерно 1000 Мбит/с, но при методе кодирования 8В/10В полезная битовая скорость на 25% меньше скорости импульсов на линии.

И наконец, самая сложная задача - поддержка кабеля на витой паре. Эта проблема была решена за счет применения новейших способов кодирования сигналов, для того чтобы спектр сигнала не выходил за пределы полосы пропускания кабеля.

Для расширения максимального диаметра сети Gigabit Ethernet в полудуплексном режиме до 200 метров минимальный размер кадра был увеличен (без учета преамбулы) с 64 до 512 байт или до 4096 bt. Соответственно, время двойного оборота теперь также можно было увеличить до 4095 bt, что делает допустимым диаметр сети около 200 м при использовании одного повторителя.

Для увеличения длины кадра до требуемой величины сетевой адаптер должен дополнить поле данных до длины 448 байт так называемым расширением (extention), представляющим собой поле, заполненное запрещенными символами кода 8В/10В, которые невозможно принять за коды данных.

Для сокращения накладных расходов при использовании слишком длинных кадров для передачи коротких квитанций разработчики стандарта разрешили конечным узлам передавать несколько кадров подряд, без передачи среды другим станциям. Такой режим получил название Burst Mode - монопольный пакетный режим. Станция может передать подряд несколько кадров с общей длиной не более 65 536 бит или 8192 байт. Если станции нужно передать несколько небольших кадров, то она может не дополнять их до размера в 512 байт, а передавать подряд до исчерпания предела в 8192 байт (в этот предел входят все байты кадра, в том числе преамбула, заголовок, данные и контрольная сумма). Предел 8192 байт называется Burst Length. Если станция начала передавать кадр и предел Burst Length был достигнут в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца.

.3.4.1 1000Base-X

Спецификация 1000BASE-X предусматривает использование среды в виде оптических волокон. В основе этого стандарта лежит технология основанная на стандарте ANSI Fibre Channel (ANSI X3T11).

Технология 1000BASE-X допускает использование трех различных сред передачи, отсюда три разновидности: 1000BASE-SX, 1000BASE-LX и 1000BASE-CX.

.3.4.2 1000Base-SX

Наиболее часто используемая и самая дешевая технология на основе стандартного многомодового волокна. Максимальное расстояние для 1000BASE-SX составляет 220 метров. Используется длина волны 850 нм, S означает Short Wavelength - короткая волна.

Очевидно, что это значение может достигаться только при полнодуплексной передаче данных, так как время двойного оборота сигнала на двух отрезках по 220 метров равно 4400 bt, что превосходит предел 4095 bt даже без учета повторителя и сетевых адаптеров. Для полудуплексной передачи максимальные значения сегментов оптоволоконного кабеля всегда должны быть меньше 100 метров.

.3.4.3 1000Base-LX

Технология 1000BASE-LX обычно используется с одномодовыми волокнами, здесь допустимое расстояние составляет 5 километров. Спецификация 1000Base-LX может работать и на многомодовом кабеле. В этом случае предельное расстояние получается небольшим - 550 метров.

Для спецификации 1000Base-LX в качестве источника излучения всегда применяется полупроводниковый лазер с длиной волны 1300 нм.

.3.4.4 1000Base-СX

Технология 1000BASE-CX использует наиболее своеобразную среду из трех. Это основанное на применении решения, в котором используются кабели, выполненные на основе предварительно закрученных (precrimped) экранированных витых пар.

Соединитель - не простой RJ-45, обычно используемый в 10/100/1000Base-T. Вместо него используется DB-9 или HSSDS, завершающие эти две пары проводов. Технология 1000BASE-CX работает на расстояниях до 25 м, что ограничивает ее применение небольшими площадями. [3]

.3.4.5 1000Base-T

Спецификация 1000Base-T работает по витой паре категории 5.

Каждая пара кабеля категории 5 имеет гарантированную полосу пропускания до 100 МГц. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с было решено организовать параллельную передачу одновременно по всем 4 парам кабеля.

Это сразу уменьшило скорость передачи данных по каждой паре до 250 Мбит/с.

Для кодирования данных был применен код РАМ5, использующий 5 уровней потенциала: -2, -1, 0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации. Следовательно, тактовую частоту вместо 250 МГц можно снизить до 125 МГц. При этом, если использовать не все коды, а передавать 8 бит за такт (по 4 парам), то выдерживается требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с и еще остается запас неиспользуемых кодов, так как код РАМ5 содержит 5⁴ = 625 комбинаций, а если передавать за один такт по всем четырем парам 8 бит данных, то для этого требуется всего 2⁸ = 256 комбинаций. Оставшиеся комбинации приемник может использовать для контроля принимаемой информации и выделения правильных комбинаций на фоне шума. Код РАМ5 на тактовой частоте 125 МГц укладывается в полосу 100 МГц кабеля категории 5.

Для распознавания коллизий и организации полнодуплексного режима в спецификации применяется техника, при которой оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4-х пар в одном и том же диапазоне частот, так как используют один и тот же потенциальный код РАМ5 (рис. 12). Схема гибридной развязки Н позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и для приема и для передачи.

Рисунок 12. Двунаправленная передача по 4 парам UTP cat5 в Gigabit

Ethernet

Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Это не простая операция и для ее выполнения используются специальные цифровые сигнальные процессоры - DSP (Digital Signal Processor). [1]

Глава 2. Технология Wi-Fi

2.1 Спецификации IEEE для локальных беспроводных сетей

Стандарт Ethernet 802.3 эволюционировал долгие годы, прежде чем в него вошли стандарты Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Аналогичным образом эволюционировал беспроводной Ethernet стандарта 802.11.

Набор стандартов 802.11 на самом деле определяет целый ряд технологий реализации физического уровня (PHY), которые могут быть использованы подуровнем 802.11 MAC:

·    Уровень PHY стандарта 802.11 со скачкообразной перестройкой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) в диапазоне 2,4 ГГц;

·        Уровень PHY стандарта 802.11 с расширением спектра методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) в диапазоне 2,4 ГГц;

·        Уровень PHY стандарта 802.11b с расширением спектра методом прямой последовательности в диапазоне 2,4 ГГц;

·        Уровень PHY стандарта 802.11а с разделением по ортогональным частотам (Orthogonal Frequency Division Multiplexion, OFDM) в диапазоне 5 ГГц;

·        Расширенный физический уровень (Extended Rate Physical (ERP) layer) стандарта 802.11g в диапазоне 2,4 ГГц.

Между кабельными сетями Ethernet и беспроводными сетями Wi-Fi есть много общего, но много и различий. Например, разные среды передачи данных, которые требуют принципиально различного подхода к способам передачи и кодирования данных, то есть к непосредственной подготовке данных для передачи. Поэтому основные различия между кабельными и беспроводными сетями сконцентрированы как раз на физическом подуровне (Physical Layer, PHY) и подуровне доступа к среде передачи данных (Medium Access Control, MAC).

Теоретические аспекты функционирования сетей Wi-Fi регламентированы стандартом IEEE 802.11 и его расширениями IEEE 802.11a/b/g. Именно в этих стандартах определяется порядок организации беспроводных сетей на уровне доступа к среде передачи данных и на физическом уровне.

Изначально стандарт IEEE 802.11 предполагал возможность передачи данных по радиоканалу на скорости 1 Мбит/с и опционально на скорости 2 Мбит/с. В более поздней версии IEEE 802.11b, являющейся дополнением к основному стандарту, определяется скорость передачи 1, 2, 5.5 и 11 Мбит/с. Стандарт 802.11g является логическим развитием 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне, но с максимальной скоростью передачи 54 Мбит/с. Аналогичную скорость рекомендует стандарт 802.11а, но уже в другом частотном диапазоне 5 ГГц (от 5,15 до 5,350 ГГц и от 5,725 до 5,825 ГГц).

2.2 Концепции беспроводных физических уровней

Основное назначение физических уровней стандарта 802.11 - обеспечить механизмы беспроводной передачи для подуровня MAC, а также поддерживать выполнение вторичных функций, таких как оценка состояния беспроводной среды и сообщение о нем подуровню MAC.

Стандарт 802.11 усовершенствовал как подуровень MAC, так и подуровень PHY, а также поддерживаемый им интерфейс. Именно независимость между MAC и подуровнем PHY и позволила использовать дополнительные высокоскоростные физические уровни, описанные в стандартах 802.11b, 802.11а и 802.11g.

Каждый из физических уровней стандарта 802.11 имеет два подуровня:

·    Physical Layer Convergence Procedure (PLCP). Процедура определения состояния физического уровня;

·        Physical Medium Dependent (PMD). Подуровень физического уровня, зависящий от среды передачи.

На рисунке 13 показано, как эти подуровни соотносятся между собой и с вышестоящими уровнями.

Рисунок 13. Подуровни уровня PHY эталонной модели взаимодействия

открытых систем ЭМВОС (OSI)

Подуровень PLCP по существу является уровнем обеспечения взаимодействия, на котором осуществляется перемещение элементов данных протокола MAC (MAC protocol data units, MPDU) между станциями с использованием подуровня PMD, на котором реализуется тот или иной метод передачи и приема данных через беспроводную среду.

Подуровень PMD выполняет функцию службы беспроводной передачи; взаимодействие этих служб осуществляется посредством PLCP. Подуровни PLCP и PMD отличаются для разных вариантов стандарта 802.11. [4]

2.2.1 Технология расширения спектра

На физическом уровне стандартом IEEE 802.11 предусмотрено два метода передачи:

·    Технология широкополосной модуляции с расширением спектра методом прямой последовательности (DSSS) в диапазоне 2,4 ГГц;

·    Технология расширения спектра путем скачкообразной перестройки частоты (FHSS) в диапазоне 2,4 ГГц, различающиеся способом модуляции, но использующие одну и ту же технологию расширения спектра.

Основной принцип технологии расширения спектра (Spread Spectrum, SS) заключается в том, чтобы от узкополосного спектра сигнала, возникающего при обычном потенциальном кодировании, перейти к широкополосному спектру, что позволяет значительно повысить помехоустойчивость передаваемых данных.

При потенциальном кодировании информационные биты 0 и 1 передаются прямоугольными импульсами напряжений.

При передаче прямоугольный импульс длительности T имеет спектр сигнала описываемого формулой

,

где  - частота спектральной составляющей.

Несмотря на бесконечный спектр сигнала, наиболее весомые гармоники, вносящие значительный вклад в результирующий сигнал, сосредоточены в небольшой частотной области, ширина которой обратно пропорциональна длительности импульса.

Чем меньше длительность импульса, тем больший спектральный диапазон занимает такой сигнал. Для того чтобы повысить помехоустойчивость передаваемого сигнала (то есть увеличить вероятность безошибочного распознавания сигнала на приёмной стороне в условиях шума), используется метод перехода к широкополосному сигналу, при котором добавляется избыточность в исходный сигнал. Для этого в каждый передаваемый информационный бит встраивают определенный код, состоящий из последовательности так называемых чипов (см. рисунок 14).

Информационный бит, представляемый прямоугольным импульсом, разбивается на последовательность более мелких импульсов-чипов. В результате спектр сигнала значительно расширяется, поскольку ширину спектра можно с достаточной степенью точности считать обратно пропорциональной длительности одного чипа. Такие кодовые последовательности называют шумоподобными кодами. Наряду с расширением спектра сигнала, уменьшается и спектральная плотность энергии, так что энергия сигнала как бы рассредоточивается по всему спектру, а результирующий сигнал становится шумоподобным в том смысле, что его теперь трудно отличить от естественного шума.

Кодовые последовательности чипов обладают уникальным свойством автокорреляции. Под автокорреляцией понимается степень подобия функции самой себе в различные моменты времени. Если некоторая функция зависит от времени и эта зависимость выражается в виде функции f(t), то можно рассмотреть функцию в некоторый момент времени t₀ и в момент времени t₀+. Степень соответствия этих двух функций друг другу в различные моменты времени и называется автокорреляцией.

Рисунок 14. Изменение спектра сигнала при добавлении

шумоподобного кода

При этом можно подобрать такую последовательность чипов, для которой функция автокорреляции, отражающая степень подобия функции самой себе через определённый временной интервал, будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени. Таким образом, функция будет подобна самой себе только для одного момента времени и совсем не похожа на самоё себя для всех остальных моментов времени. Одна из наиболее известных (но не единственная) таких последовательностей - код Баркера длиной в 11 чипов: 11100010010. Коды Баркера обладают наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности, что и обусловило их широкое применение. Для передачи единичного и нулевого символов сообщения используются, соответственно, прямая и инверсная последовательности Баркера.

Для упрощенного вычисления автокорреляционной функции последовательности Баркера можно рассчитать разницу между числом совпадений и несовпадений между отдельными чипами последовательности при циклическом почиповом сдвиге относительно друг друга.

Как видно из таблицы 1 последовательность Баркера обладает ярко выраженным автокорреляционным пиком, соответствующим наложению функции самой на себя.

Таблица 1. Вычисление автокорреляционной функции

последовательности Баркера

Сдвиг	Последовательность											Рез-т корреляции
0	1	1	1	0	0	0	1	0	0	1	0	-1
1	0	1	1	1	0	0	0	1	0	0	1	-1
2	1	0	1	1	1	0	0	0	1	0	0	-1
3	0	1	0	1	1	1	0	0	0	1	0	-1
4	0	0	1	0	1	1	1	0	0	0	1	-1
5	1	0	0	1	0	1	1	1	0	0	0	-1
6	0	1	0	0	1	0	1	1	1	0	0	-1
7	0	0	1	0	0	1	0	1	1	1	0	-1
8	0	0	0	1	0	0	1	0	1	1	1	-1
9	1	0	0	0	1	0	0	1	0	1	1	-1
10	1	1	0	0	0	1	0	0	1	0	1	-1

В приёмнике полученный сигнал умножается на код Баркера (вычисляется корреляционная функция сигнала), в результате чего он становится узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи. Любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на код Баркера, наоборот, становится широкополосной, а в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, по мощности примерно в 11 раз меньшая, чем помеха, действующая на входе приёмника.

Итак, основной смысл использования кода Баркера заключается в том, чтобы гарантировать высокую степень достоверности принимаемой информации и при этом передавать сигнал практически на уровне помех.

.2.2 Модуляция сигнала

Как известно, радиоволны приобретают способность переносить информацию в том случае, если они определённым образом модулируются. Необходимо также, чтобы модуляция синусоидального несущего сигнала соответствовала требуемой последовательности информационных битов. Существует три основных типа модуляции: амплитудная, частотная и фазовая. В стандарте IEEE 802.11 для передачи сигналов используются различные виды фазовой модуляции.

Различают два вида фазовой модуляции: собственно фазовую и относительную фазовую модуляцию. При фазовой модуляции (Phase Shift Key, PSK) для передачи логических нулей и единиц используют сигналы одной и той же частоты и амплитуды, но смещённые относительно друг друга по фазе. Например, логический нуль передается синфазным сигналом, а единица - сигналом, который сдвинут по фазе на 180° (см. рис. 15).

Если изменение фазы может принимать всего два значения, то говорят о двоичной фазовой модуляции (Binary Phase Shift Key, BPSK).

Рисунок 15. Двоичная фазовая модуляция BPSK

Математически сигнал, соответствующий логическому нулю, можно представить как

₀(t)=Asin(2πft),

а сигнал, соответствующий логической единице, как

₁(t)= -Asin(2πft).

Тогда модулированный сигнал можно записать в виде:

S_BPSK(t)=V(t)Asin(2πft),

где V(t) - управляющий сигнал, принимающий значения +1 и -1. При этом значение сигнала +1 соответствует логическому нулю, а значение сигнала -1 - логической единице. Изменение фазы может иметь и более двух значений, например четыре - 0, 90, 180 и 270°. В этом случае говорят о так называемой квадратурной фазовой модуляции (Quadrature Phase Shift Key, QPSK). Общий вид сигнала, модулированного по фазе:

S(t)=Asin(2πft+φ(t)).

Рисунок 16. Квадратурная модуляция QPSK

Данный сигнал можно представить в виде

S(t)=Asin(2πft)cosφ+Acos (2πft)sinφ.

Из полученного выражения видно, что исходный сигнал можно представить в виде суммы двух гармонических составляющих, смещённых друг относительно друга по фазе на 90°. В передатчике, производящем модуляцию, одна из этих составляющих синфазна сигналу генератора, а вторая находится в квадратуре по отношению к этому сигналу (отсюда - квадратурная модуляция).

Как уже говорилось, при квадратурной фазовой модуляции фаза сигнала может принимать четыре различных значения: .

Для выбора определённого значения фазы используются кодирующие сигналы d₁ и d₀, которые могут принимать значения +1 и -1. Если положить, что

₁=cosφ+sinφ; d₀=cosφ-sinφ,

получим соотношение между сдвигом фазы и кодирующими сигналами, приведенное в таблице 2.

Таблица 2. Соотношение между сдвигом фазы и кодирующими

сигналами

Фаза сигнала	d1	d0	Дибит
0	+1	+1	00
+1-101
-1-111
-1+110

Отличительной особенностью квадратурной фазовой модуляции является наличие четырех дискретных состояний сигнала, отвечающих различным фазам. Это позволяет закодировать в одном дискретном состоянии последовательность двух информационных бит (дибит). Действительно, последовательность двух битов может иметь всего четыре различные комбинации: 00, 01, 10 и 11, а значит, ровно в два раза повышается и скорость передачи данных, то есть бодовая скорость будет в два раза меньше битовой (1 Бод = 2 бит/с).

Недостатком фазовой модуляции является то, что при декодировании сигнала приёмник должен определять абсолютное значение фазы сигнала, так как в фазовой модуляции информация кодируется именно абсолютным значением фазы сигнала. Для этого необходимо, чтобы приёмник имел информацию о так называемом эталонном синфазном сигнале передатчика. Тогда, путём сравнения принимаемого сигнала с эталонным, можно определять абсолютный сдвиг фазы. Следовательно, необходимо каким-то способом синхронизировать сигнал передатчика с эталонным сигналом приёмника (по этой причине фазовая модуляция получила название синхронной).

Реализация синхронной передачи достаточно сложна, поэтому более широкое распространение получила разновидность фазовой модуляции, называемая относительной фазовой модуляцией (Differential Phase Shift Keying, DPSK). При относительной фазовой модуляции (также именуемой относительной фазовой манипуляцией) кодирование информации происходит за счёт сдвига фазы по отношению к предыдущему состоянию сигнала. Фактически приёмник должен улавливать не абсолютное значение фазы принимаемого сигнала, а лишь изменение этой фазы, то есть информация кодируется изменением фазы. Естественно, такая модуляция уже не является синхронной и по этой причине проще реализуется. Во всём остальном DPSK-модуляция не отличается от PSK-модуляции.

Как уже отмечалось, фазовая модуляция используется в протоколе IEEE 802.11 для кодирования данных. При передаче данных на скорости 1 Мбит/с применяется двоичная относительная фазовая модуляция (DBPSK). При этом сам информационный единичный бит передается 11-чиповой последовательностью Баркера, а нулевой бит - инверсной последовательностью Баркера. Соответственно, относительная фазовая модуляция применяется именно к отдельным чипам последовательности.

Учитывая, что ширина спектра прямоугольного импульса обратно пропорциональна его длительности (а точнее, 2/T), нетрудно посчитать, что при информационной скорости 1 Мбит/с скорость следования отдельных чипов последовательности Баркера составит 1110⁶ чип/с, а ширина спектра такого сигнала - 22 МГц, так как длительность одного чипа составляет 1/11 мкс.

Информационная скорость 1 Мбит/с является обязательной в стандарте IEEE 802.11 (Basic Access Rate), но опционально возможна передача и на скорости 2 Мбит/с (Enhanced Access Rate). Для передачи данных на такой скорости тоже используется относительная фазовая модуляция, но уже квадратурная (DQPSK), что позволяет в два раза повысить информационную скорость передачи. При этом ширина самого спектра остаётся прежней - 22 МГц. [6]

2.2.3 Локальные беспроводные сети со скачкообразной

перестройкой частоты (FHSS)

Локальные беспроводные сети FHSS поддерживают скорости передачи 1 и 2 Мбит/с. Устройства FHSS осуществляют скачкообразную перестройку частоты по предопределенной схеме, как показано на рис. 17. Устройства FHSS делят предназначенную для их работы полосу частот от 2,402 до 2,483 ГГц на 79 не перекрывающихся каналов. Ширина каждого из 79 каналов составляет 1 МГц, поэтому локальные беспроводные сети FHSS используют относительно высокую скорость передачи символов, 1 МГц, и намного меньшую скорость перестройки с канала на канал.

Рисунок 17. Пример скачкообразной перестройки частоты

Последовательность перестройки частоты должна иметь следующие параметры: частота перескоков не менее 2,5 раз в секунду как минимум между 6-ю (6 МГц) каналами. Чтобы минимизировать число коллизий между перекрывающимися зонами покрытия, возможные последовательности перескоков должны быть разбиты на три набора последовательностей, длина которых составляет 26 последовательностей чисел.

При использовании на физическом уровне сигналов с псевдослучайной перестройкой частоты (FHSS) кадр физического уровня имеет структуру, представленную на рис. 18.

Рисунок 18. Структура кадра физического уровня FHSS

Поле Sync размером 80 бит. Строка, состоящая из чередующихся 0 и 1, начинается с 0. Приемная станция использует это поле, чтобы принять решение о выборе антенны при наличии такой возможности, откорректировать уход частоты (frequency offset) и синхронизировать распределение пакетов (packet timing).

Поле флага начала фрейма (start of frame delimiter, SFD) размером 16 бит. Состоит из специфической строки (0000 1100 1011 1101, крайний слева бит первый) для обеспечения синхронизации фреймов (frame timing) для приемной станции, по ней определяется первый бит данных.

Слово длины служебного элемента данных PLCP (PSDU) - PSDU length word (PLW) размером 12 бит. Указывает размер кадра MAC (PSDU) в октетах. Максимально возможная длина поля данных 4095 байт.

Сигнальное поле PLCP (signaling field PLCP, PSF) размером 4 бит. Указывает скорость передачи данных конкретного фрейма.

В поле контроля ошибок передастся результат помехоустойчивого кодирования с образующим полиномом g(x)=x¹⁶+х¹²+x⁵+l, позволяющим обнаруживать ошибки в заголовке кадра.

Передаваемые данные физического уровня помещаются в поле данных.

Подуровень PLCP преобразует кадр в поток битов и передает его на подуровень PMD. Подуровень PMD технологии FHSS модулирует поток данных с использованием модуляции, основанной на гауссовом переключении частот (Gaussian frequency shift keying, GFSK).

Двоичные значения 0 и 1, передаются синусоидальным сигналом с соответствующими частотами f₁ и f₂. Период передачи одного символа обуславливает длительность передачи синусоидального сигнала одной частоты. Часто, вместо того чтобы указывать значения двух частот в абсолютных величинах, их указывают относительно несущей частоты f_c, например

f₁ = f_c - f_d и f₂ = f_c + f_d.

Одним из преимуществ частотной манипуляции является легкость реализации соответствующих передатчика и приемника, поскольку модуль сигнала остается постоянным и никакая информация не переносится амплитудой сигнала. Это позволяет передавать большую среднюю мощность при одинаковой пиковой. Однако частотная манипуляция имеет также несколько серьезных недостатков, не последним из которых является неэффективное использование полосы пропускания.

Одна из серьезных задач, которую должен решать модулятор FSK - обработка процесса передачи 0, следующего сразу же после 1. При этом требуется, чтобы частота сигнала мгновенно изменилась со значения f_c - f_d на значение f_c + f_d. Это приводит к прерывному изменению выходного сигнала, во время которого выделяется много энергии на частотах, выходящих за рамки частотного диапазона.

Чтобы справиться с этой проблемой, приходится фильтровать сигнал, поступающий на частотный модулятор, это позволяет сгладить переходы с частоты f_c - f_d на частоту f_c + f_d. В случае использования модуляции GFSK используется гауссов фильтр, наименование f_d происходит от термина "девиация частоты". Стандарт 802.11 указывает, что она должна составлять не менее 110 кГц. При работе на скорости 2 Мбит/с используется модуляция 4GFSK; в этом случае два бита модулируют сигнал одновременно с использованием двух девиаций частоты, как показано в таблице 3.

Таблица 3. Преобразование символов в частоту при модуляции 4GFSK

Символ	Частота
10	fc + fd2
11	fc + fd1
01	fc - fd1
00	fc - fd2

Однако технология FHSS имеет ряд недостатков:

·    Эта технология не обеспечивает то качество высокоскоростной передачи данных, которое было характерно для проводных локальных сетей;

·        Хотя для использования в последовательности перестройки частот были доступны 79 каналов, сигнал может переключаться на частоты по всему диапазону ISM, независимо от того, имеются ли поблизости другие устройства, работающие в этом диапазоне. Т.о. если помехи происходят на половине частот диапазона и работа ведется на скорости 1 Мбит/с, половину времени передача информации будет осуществляться по каналам, которые зашумлены настолько, что фактически информация принята не будет. А это означает, что реальная скорость передачи составит только 500 Кбит/с;

·        Не предусмотрено никакого механизма для координации или синхронизации последовательностей переключения частоты для соседствующих точек доступа. Их последовательности переключения могут перекрываться, создавая взаимные помехи. [5]

2.2.4 Локальные беспроводные сети, использующие

широкополосную модуляцию DSSS с расширением спектра

методом прямой последовательности

Локальные беспроводные сети DSSS используют каналы шириной 22 МГц, благодаря чему многие WLAN могут работать в одной и той же зоне покрытия. Это позволяет создать в диапазоне 2,4-2,483 ГГц три неперекрывающихся канала передачи. Аналогично подуровню PLCP, используемому в технологии FHSS, подуровень PLCP технологии DSSS стандарта 802.11 добавляет два поля в кадр MAC: преамбулу PLCP и заголовок PLCP. Формат фрейма представлен на рис. 19.

Рисунок 19. Структура кадра физического уровня DSSS

Поле Sync длиной 128 бит представляет собой строку, состоящую из единиц. Задача этого подполя - обеспечить точную синхронизацию для приемной и передающей станции.

В преамбулу кадра (144 бита) входит указатель начала кадра или стартовая последовательность. Предполагается, что к ее началу синхронизация достигнута. Стартовая последовательность позволяет жестко привязаться к начальному биту кадра (первый бит заголовка кадра).

В заголовок кадра (48 бит) входят указатель типа сигнала, поле услуг (не используется и является резервным), указатель длины поля данных и поле контроля четности.

Поле Signal длиной 8 бит, указывающее тип модуляции и скорость передачи для данного кадра. Содержит информацию о том, какой из сигналов DBPSK или DQPSK используется и, соответственно, какова скорость передачи информации 1 или 2 Мбит/с.

Поле Service длиной 8 бит, зарезервировано. Это означает, что во время разработки спецификации стандарта оно осталось неопределенным; предполагается, что оно пригодится в будущих модификациях стандарта.

Поле Length длиной 16 бит, указывающее количество микросекунд (из диапазона 16 ч (2¹⁶-1)), необходимое для передачи части MAC кадра.

Поле CRC длиной 16 бит, обеспечивающее результирующее значение утвержденного ITU-T Международным телекоммуникационным союзом кодом проверки на четность с образующим полиномом

g(x) = x^l6 + x^l2+x⁵+1 CRC-16,

который применяется по отношению к полям заголовка PLCP.

За полем контроля четности следуют данные, передаваемые на физическом уровне. В данном случае это информация MAC протокола обмена данных (MPDU).

Подуровень PLCP преобразует фрейм в поток битов и передает данные на подуровень PMD. Подуровень PMD модулирует отбеленный поток битов, используя следующие методы модуляции:

·    Двоичная относительная фазовая манипуляция (Differential Binary Phase Shift Keying, DBPSK) для скорости передачи 1 Мбит/с;

2.3 Локальные беспроводные сети стандарта 802.11b

Стандарт 802.11b, появившийся в 1999 году, регламентировал правила использования высокоскоростной технологии DSSS (HR-DSSS). Она обеспечивала скорость передачи в локальных беспроводных сетях ISM-диапазона 2,4 ГГц вплоть до 5,5 и 11 Мбит/с. При этом используется кодирование с использованием комплементарных кодов (Complementary Code Keying, CCK) или технология двоичного пакетного сверточного кодирования (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC). В технологии HR-DSSS используется та же схема организации каналов, что и в технологии DSSS, - полоса частот шириной 22 МГц, 11 каналов, 3 неперекрывающихся канала, ISM-диапазон 2,4 ГГц.

.3.1 Подуровень PLCP технологии HR-DSSS стандарта 802.11b

Подуровень PLCP технологии HR-DSSS использует кадры PPDU двух типов: длинный и короткий. Преамбула и заголовок длинного кадра подуровня PLCP технологии HR-DSSS всегда передаются со скоростью 1 Мбит/с - для обеспечения обратной совместимости с технологией DSSS. Длинный кадр подуровня PLCP технологии HR-DSSS почти такой же, как кадр подуровня PLCP в технологии DSSS, но с небольшими расширениями, призванными обеспечить повышенные скорости передачи данных:

·    В поле Signal могут быть указаны дополнительные скорости передачи данных - 5,5 и 11 Мбит/с;

·        Поле Service определяет ранее зарезервированные биты;

·        Поле Length по-прежнему указывает количество микросекунд, необходимых для передачи PSDU.

Короткий кадр PLCP PPDU обеспечивает средство для минимизации числа служебных сигналов, все еще позволяющих, однако, передатчику и приемнику связываться друг с другом надлежащим образом. Короткий кадр, используемый в технологии HR-DSSS стандарта 802.11b, показан на рис. 20. Он использует те же преамбулу, заголовок и формат PSDU, но заголовок PLCP передается на скорости 2 Мбит/с, в то время как PSDU передается со скоростью 2, 5,5 или 11 Мбит/с. Кроме того, его подполя модифицированы следующим образом:

·    Ширина поля Sync сокращена со 128 до 56 бит; оно представляет собой строку, состоящую из одних нулей;

·        Поле SFD имеет длину 16 бит и выполняет ту же функцию указания на начало фрейма, но также указывает на использование длинных или коротких заголовков. В случае коротких заголовков 16 бит передается в порядке, обратном по отношению к длинным заголовкам. [3]

Рисунок 20. Короткий элемент данных протокола PLCP

.3.2 Модуляция ССК на подуровне PMD стандарта 802.11b

Для достижения скоростей 5,5 и 11 Мбит/с применяется метод расширения спектра с помощью комплиментарных кодов. Но при использовании модуляции ССК расширяющий код представляет собой код из 8 комплексных чипов (complex chip), в то время как при работе со скоростями 1 и 2 Мбит/с применяется 11-разрядный код. 8-чиповый код определяется или 4, или 8 битами - в зависимости от скорости передачи данных.

Для того чтобы передавать данные со скоростью 5,5 Мбит/с, нужно сгруппировать скремблированный поток битов в символы по 4 бита (b0, b1, b2 и bЗ). Последние два бита (b2 и bЗ) используются для определения 8 последовательностей комплексных чипов, как показано в таблице 4, где {c1, с2, с3, с4, с5, с6, с7, с8} представляют чипы последовательности. В таблице 4 j представляет мнимое число, корень квадратный из - 1, и откладывается по мнимой, или квадратурной оси комплексной плоскости.

Таблица 4. Последовательность чипов ССК

(b2, b3)	c1	c2	c3	c4	c5	c6	c7	c8
00	j	1	j	-1	j	1	-1	1
01	-j	-1	-j	1	j	1	-j	1
10	-j	1	-j	-1	-j	1	j	1
11	j	-1	j	1	-j	1	1	1

Имея последовательность чипов, определенную битами (b2, bЗ), можно использовать первые два бита (b0, b1) для определения поворота фазы, осуществляемого при модуляции по методу DQPSK, который будет применен к последовательности (см. таблицу 5). Каждый 4-битовый символ PSDU нумеруется, начиная с 0, чтобы можно было определить, преобразуется четный либо нечетный символ в соответствии с этой таблицей.

Таблица 5. Поворот фазы при модуляции ССК

(b0, b1)	Изменение фазы четных символов	Изменение фазы нечетных символов
00	0 (0 градусов)	(180 градусов)
01	(90 градусов)-(-90 градусов)
11	(180 градусов)0 (0 градусов)
10	-(-90 градусов)(90 градусов)

Это вращение фазы применяется по отношению к 8 комплексным чипам символа, затем осуществляется модуляция на подходящей несущей частоте.

Чтобы передавать данные со скоростью 11 Мбит/с, скремблированная последовательность битов PSDU разбивается на группы по 8 символов. Последние 6 битов выбирают одну последовательность, состоящую из 8 комплексных чипов, из числа 64 возможных последовательностей, почти так же, как использовались биты (b2, bЗ) для выбора одной из четырех возможных последовательностей. Биты (b0, b1) используются таким же образом, как при модуляции ССК на скорости 5,5 Мбит/с для вращения фазы последовательности и дальнейшей модуляции на подходящей несущей частоте.

.3.3 Технология двоичного пакетного сверточного кодирования

(PBCC)

Стандарт HR-DSSS определяет также опциональный механизм модуляции для передачи данных со скоростью 5,5 и 11 Мбит/с. Эта технология отличается как от ССК, так и от DSSS стандарта 802.11.

Вначале биты PSDU передаются на двоичный сверточный кодер, работающий с эффективной степенью кодирования 1/2. Особый полускоростной кодер (particular half-rate encoder) имеет шесть линий задержки (delay), или запоминающих ячеек, и выдает 2 бита на каждый входной. Поскольку стандарт 802.11 рассчитан на использование фреймов и сверточные кодеры имеют память, все элементы задержки обнуляются с началом фрейма, а в его конец добавляется один октет нулей, чтобы обеспечить одинаковую помехоустойчивость для всех битов. Затем закодированный поток битов пропускается через преобразователь символов (symbol mapper) BPSK, чтобы достичь скорости передачи данных 5,5 Мбит/с, или через преобразователь символов QPSK, чтобы реализовать передачу со скоростью 11 Мбит/с. Здесь не применяется относительное кодирование. Особое преобразование символов, используемое в данном случае, зависит от двоичного значения s, поступающего от 256-битовой псевдослучайной последовательности. Как преобразуются два символа QPSK, показано на рис. 21, а как преобразуются два символа BPSK - на рис. 22. Для PSDU размером более 256 бит псевдослучайная последовательность просто повторяется.

Рисунок 21. Преобразование символов РВСС QPSK

Рисунок 22. Преобразование символов РВСС BPSK

2.4 Локальные беспроводные сети стандарта 802.11а

Рассмотренный стандарт 802.11b обеспечивает максимальную скорость передачи данных до 11 Мбит/с в частотном диапазоне 2,4 ГГц (от 2,4 до 2,4835 ГГц). Но при использовании технологии расширения спектра DSSS на частотах около 2,4 ГГц могут возникать проблемы из-за помех, порождаемых другими бытовыми беспроводными устройствами, в частности микроволновыми печами и радиотелефонами. Кроме того, некоторые приложения и объёмы передаваемых по сети данных нередко требуют большей пропускной способности, чем может предложить стандарт 802.11b.

С целью преодоления ограниченности полосы частот (2,4...2,4835 ГГц) разработка оборудования проводилась в диапазоне 5 ГГц, где оказалось возможным выделение более широкой полосы частот, превышающей 100 Мгц.

В проекте стандарта 802.11а было предложено использовать физический канал, в котором используется технология мультиплексирования с разделением по ортогональным частотам (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) в диапазоне 5 ГГц. Он определял скорости передачи до 24 Мбит/с и опционально - до 54 Мбит/с в безлицензионных диапазонах национальной информационной инфраструктуры США UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) 5,15-5,25 ГГц, 5,25-5,35 ГГц и 5,725-5,825 ГГц.

Частотный диапазон UNII разбит на три 100-мегагерцевых поддиапазона, различающихся ограничениями по максимальной мощности излучения (см. таблицу 6). Низший диапазон (от 5,15 до 5,25 ГГц) предусматривает мощность всего 50 мВт, средний диапазон (от 5,25 до 5,35 ГГц) - 250 мВт, а верхний диапазон (от 5,725 до 5,825 ГГц) - 1 Вт.

Таблица 6. Частотный диапазон стандарта IEEE 802.11a

Диапазон	Частота, ГГц	Ограничение по мощности, мВт
UNII	5,150 - 5,250	50
UNII	5,250 - 5,350	250
UNII	5,725 - 5,825	1000
ISM	2,400 - 2,4835	1000

Использование трёх частотных поддиапазонов с общей шириной 300 МГц делает стандарт 802.11а самым широкополосным из семейства стандартов 802.11 и позволяет разбить весь частотный диапазон на 12 каналов, каждый из которых имеет ширину 20 МГц, восемь из которых лежат в 200-мегагерцевом диапазоне от 5,15 до 5,35 ГГц, а остальные четыре канала - в 100-мегагерцевом диапазоне от 5,725 до 5,825 ГГц (рис. 23). При этом четыре верхних частотных каналов, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются преимущественно для передачи сигналов вне помещений.

Рисунок 23. Разделение диапазона UNII на 12 частотных

поддиапазонов

.4.1 Технология мультиплексирования с разделением по

ортогональным частотам (OFDM)

На подуровне PLCP физического уровня стандарта 802.11а применяется собственный уникальный формат фрейма PPDU - элемент данных протокола PLCP. Он представлен на рис. 24.

Рисунок 24. Формат кадра физического уровня стандарта 802.11а.

Кадр PPDU состоит из трех основных частей: преамбулы OFDM, полей Signal (сигнализация) и Данные. Преамбула OFDM состоит из короткой настроечной последовательности - Short Sync, и длинной настроечной последовательности символов - Long Sync. Первая используется приемником для автоматической регулировки усиления (АРУ), синхронизации и грубой оценки ухода частоты, вторая - для оценки параметров канала, синхронизации и точной оценки ухода частоты.

Четырехразрядное поле Rate, указывающее скорость передачи данных кадра.

Бит R зарезервирован для будущих применений.

Поле Length содержит беззнаковое 12-разрядное целое число, указывающее число октетов в PSDU.

Бит Р является битом проверки на четность для 17 битов полей Rate, R и Length.

Поле Tail содержит 6 битов со значением 0.

Поле Service, семь битов которого имеют значение, равное 0, за ними следуют 9 зарезервированных битов, значения которых пока также равны 0. Это поле позволяет приемнику синхронизировать свой дешифратор псевдослучайных последовательностей.

Поле PSDU, содержит полезные данные, подлежащие передаче.

Поле Tail, служит для повторной установки в начальное состояние сверточного кодера с конечной памятью.

Поле Pad позволяет добавить биты для получения необходимого числа кодирующих битов на символ OFDM.

Предусмотренная протоколом 802.11а ширина канала 20 МГц вполне достаточна для организации высокоскоростной передачи. Использование же частот свыше 5 ГГц и ограничение мощности передачи приводят к возникновению ряда проблем при попытке организовать высокоскоростную передачу данных. Распространение любого сигнала неизбежно сопровождается его затуханием, причём величина затухания сигнала зависит как от расстояния от точки передачи, так и от частоты сигнала - с увеличением частоты передаваемого сигнала увеличивается и его затухание. Поэтому использование более высоких частот в протоколе 802.11а приводит к несколько меньшему радиусу действия сети, чем в протоколе 802.11b.

Второй важный момент связан с возникновением эффекта многолучевой интерференции: в результате многократных отражений один и тот же сигнал может попадать в приёмник различными путями, имеющими различные длины. Следовательно, в точке приёма результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов с различными амплитудами и смещёнными относительно друг друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами.

Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах. При использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определённые частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, - противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте.

Если при передаче сигналов, максимальная задержка между различными сигналами не превосходит времени длительности одного символа, и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Если же максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, то возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).

Наиболее отрицательно на искажении сигнала сказывается межсимвольная интерференция, так как после нее восстановить исходный сигнал крайне сложно. В стандарте 802.11а используется метод кодирования данных, который состоит в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведётся параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счёт одновременной передачи данных по всем каналам, а скорость передачи в отдельном подканале может быть и не высокой. Поскольку в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, это создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой - достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу. С точки зрения математики ортогональность функций означает, что их произведение, усреднённое на некотором интервале, должно быть равно нулю. Это выражается простым соотношением:

где T - период символа, f_k, f_l - несущие частоты каналов k и l.

Хотя сами частотные подканалы могут и перекрывать друг друга, однако ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, отсутствие межканальной интерференции (рис. 25).

Рисунок 25. Частотное разделение каналов с ортогональными

несущими сигналами

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). [10]

Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создаёт предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Неотъемлемой частью технологии OFDM является понятие охранного интервала (Guard Interval, GI) - это циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое вначале символа. Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приёме символа в приёмнике, но именно она служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции.

Наличие охранного интервала создаёт временные паузы между отдельными символами, и если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает (см. рис. 26).

Рисунок 26. Охранный интервал препятствует возникновению

межсимвольной интерференции

В протоколе 802.11а длительность охранного интервала составляет одну четвёртую длительности самого символа. При этом сам символ имеет длительность 3,2 мкс, а охранный интервал - 0,8 мкс. Таким образом, длительность символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс.

В протоколе 802.11а используются двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK для кодирования в одном дискретном состоянии сигнала (символе) нескольких информационных битов. При использовании BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит. Соответственно при использовании QPSK-модуляции в одном символе кодируется два информационных бита. Модуляция BPSK используется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK - на скоростях 12 и 18 Мбит/с. [6]

Для передачи на более высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Сalled Quadrature Amplitude Modulation). Данный тип модуляции подразумевает, что информация кодируется не только за счёт изменения фазы сигнала, но и за счёт его амплитуды. В протоколе 802.11а используется модуляция 16-QAM и 64-QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе. Во втором случае имеется уже 64 возможных состояния сигнала, что позволяет закодировать последовательность 6 битов в одном символе. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM - на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

Для того чтобы обеспечить достоверность принимаемых данных, то есть иметь возможность обнаруживать и исправлять ошибки, используют избыточную информацию и свёрточное кодирование. Суть свёрточного кодирования заключается в том, что к последовательности передаваемых битов добавляются проверочные биты, значения которых зависят от нескольких предыдущих переданных битов. Использование свёрточного кодирования в сочетании с алгоритмом Витерби позволяет не только обнаруживать, но и в подавляющем большинстве случаев исправлять ошибки передачи на приёмной стороне. [7]

При скорости свёрточного кодирования 1/2, на каждый информационный бит добавляется один служебный (избыточность равна 1/2). Именно по этой причине при скорости свёрточного кодирования 1/2 информационная скорость вдвое меньше полной скорости. При скорости свёрточного кодирования 3/4 на каждые три информационных бита добавляется один служебный, поэтому в данном случае полезная (информационная) скорость составляет 3/4 от полной скорости.

Из этого следует, что при использовании одного и того же типа модуляции могут получаться разные значения информационной скорости (см. таблицу 7) - всё зависит от скорости свёрточного кодирования. Так, при использовании BPSK-модуляции со скоростью свёрточного кодирования 1/2 получаем информационную скорость 6 Мбит/с, а при использовании свёрточного кодирования со скоростью 3/4 - 9 Мбит/с. Аналогичным образом каждому типу модуляции соответствуют две различные скорости передачи. При этом в самом протоколе 802.11а обязательными являются только скорости 6, 12 и 24 Мбит/с, а все остальные - опциональными.

Таблица 7. Различные скорости в протоколе 802.11а

Скорость данных, Мбит/с	Тип модуляции	Скорость свёрточного кодирования	Количество битов на символ в одном подканале	Общее количество битов в OFDM-символе (48 подканалов)	Количество битов данных в OFDM-символе
6	BPSK	1/2	1	48	24
9	BPSK	3/4	1	48	36
12	QPSK	1/2	2	96	48
18	QPSK	3/4	2	96	72
24	16-QAM	1/2	4	192	96
36	16-QAM	3/4	4	192	144
48	64-QAM	2/3	6	288	192
54	64-QAM	3/4	6	288	216

.5 Локальные беспроводные сети стандарта 802.11 g

Стандарт 802.11g является логическим развитием 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. В то же время, по способу кодирования 802.11g является гибридным, заимствуя все лучшее из стандартов 802.11b и 802.11a. Максимальная скорость передачи в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с (как и в стандарте 802.11a), поэтому на сегодняшний день это наиболее перспективный стандарт беспроводной связи.

При разработке стандарта 802.11g рассматривались две несколько конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM, заимствованный из стандарта 802.11a и предложенный к рассмотрению компанией Intersil, и метод двоичного пакетного свёрточного кодирования PBCC, опционально реализованный в стандарте 802.11b и предложенный компанией Texas Instruments. В результате стандарт 802.11g содержит компромиссное решение: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC.

.5.1 Метод двоичного пакетного свёрточного кодирования PBCC

В основе метода PBCC лежит так называемое свёрточное кодирование со скоростью 1/2. В любом свёрточном кодере используются запоминающие ячейки (регистры) и логические элементы XOR.

Главным достоинством свёрточных кодеров является помехоустойчивость формируемой ими последовательности. При избыточности кодирования (каждому информационному биту ставится в соответствие дибит, то есть избыточность кода равна 1/2 даже в случае возникновения ошибок приёма (к примеру, вместо дибита 11 ошибочно принят дибит 10) исходная последовательность битов может быть безошибочно восстановлена. Для восстановления исходной последовательности битов на стороне приёмника применяется декодер Витерби.

В протоколе 802.11g также как и в 802.11b используются свёрточные кодеры, состоящие из шести запоминающих ячеек (K = 6) со скоростью кодирования 1/2. Схема такого кодера показана на рис. 27.

Рисунок 27. Схема свёрточного кодера (K = 6); скорость кодирования

равна 1/2

Дибит, формируемый в свёрточном кодере, используется в дальнейшем в качестве передаваемого символа, но предварительно этот дибит подвергается фазовой модуляции (см. рис. 27). Если скорость передачи составляет 11 Мбит/с, то применяется квадратичная фазовая модуляция QPSK, то есть каждому их четырёх возможных состояний дибита соответствует одна из четырёх возможных фаз. Если же скорость передачи составляет 5,5 Мбит/с, то используется двоичная фазовая модуляция BPSK. При этом каждый бит Y0 и Y1, формируемый свёрточным кодером, последовательно подвергается фазовой модуляции.

Технология PBCC достаточна проста. В отличие от технологий DSSS (коды Баркера, ССК-последовательности) в ней не используется технология уширения спектра за счёт применения шумоподобных последовательностей, однако уширение спектра до стандартных 22 МГц предусмотрено и в данном случае. Для этого применяют вариации возможных сигнальных созвездий QPSK и BPSK. Схема PBCC-модулятора изображена на рис. 28.

Рисунок 28. Схема PBCC-модулятора

Сигнальные созвездия представляют собой геометрическое отображение возможных выходных состояний сигнала. Для QPSK-модуляции имеется четыре дискретных состояний сигнала: 00, 01, 10 и 11. Каждому из этих дибитов соответствует одна из четырёх возможных фаз несущего сигнала. Выбор одного из возможных состояний определяется комбинацией управляющих сигналов синфазного и квадратурного каналов d_I и d_Q, принимающих значения +1 и -1. Следовательно, каждому состоянию сигнала соответствует пара координат d_I и d_Q. Расположение точек на сигнальном созвездии может быть различным, то есть комбинация управляющих сигналов d_I = +1 и d_Q = -1 может соответствовать дибиту 00, а может - и дибиту 10. Фактически это означает, что в первом случае дибиту 00 ставится в соответствие одно значение фазы несущего сигнала, а во втором - другое. Именно этот принцип реализован в методе PBCC для уширения спектра выходного сигнала. Используется по два сигнальных созвездия QPSK и BPSK (см. рис. 29).

Рисунок 29. Типы сигнальных созвездий при QPSK имодуляциях

Выбор между конкретным типом используемого созвездия задаётся управляющим сигналом S, принимающим значение 0 или 1. Этот сигнал задаётся псевдослучайной последовательностью с периодом повторения 256 бит, которая формируется из 16-битной базовой последовательности 0011001110001011. Для того чтобы из данной базовой 16-битной последовательности получить 256-битную, используют циклический сдвиг одновременно трёх первых символов. Так получают еще пятнадцать 16-битовых последовательностей, что в сумме дает одну 256-битную.

Опционально в протоколе 802.11g технология PBCC может использоваться при скоростях передачи 22 и 33 Мбит/с.

При скорости 22 Мбит/с, по сравнению с рассмотренной схемой PBCC, имеются два отличия. Прежде всего, используется фазовая 8-позиционная модуляция 8-PSK, то есть фаза сигнала может принимать восемь различных значений. Это позволяет в одном символе кодировать уже 3 бита и, следовательно, увеличить информационную скорость передачи. Кроме того, в схему, кроме свёрточного кодера, добавлен пунктурный кодер.

Избыточность свёрточного кодера равная 1/2 достаточна высока и при определённых условиях помеховой обстановки является излишней, поэтому можно уменьшить избыточность, чтобы, к примеру, каждым двум входным битам соответствовало три выходных. Для этого в схему со сверточным кодером добавляется блок, который будет просто уничтожать лишние биты. Каждый пунктурный кодер характеризуется матрицей (Рerforation Мatrix), выполняющей функцию шаблона для удаления лишних битов.

Пусть пунктурный кодер удаляет один бит из каждых четырёх входных битов, вырезая из последовательности Y0 каждый второй бит. Тогда каждым четырём входящим битам будет соответствовать три выходящих. Скорость такого кодера составляет 4:3 (см. рис. 30).

Рисунок 30. Принцип работы пунктурного кодера

Если же такой кодер используется в паре со свёрточным кодером со скоростью 1/2, то общая скорость кодирования составит уже 2/3, то есть каждым двум входным битам будет соответствовать три выходных.

В свёрточный кодер (K = 6, R = 1/2) данные поступают со скоростью 22 Мбит/с. После добавления избыточности в свёрточном кодере биты со скоростью потока 44 Мбит/с поступают в пунктурный кодер 4:3, в котором избыточность уменьшается так, чтобы на каждые четыре входных бита приходились три выходных. Следовательно, после пунктурного кодера скорость потока составит уже 33 Мбит/с. Это не информационная скорость, а общая скорость с учётом добавленных избыточных битов. Полученная в результате последовательность направляется в фазовый модулятор 8-PSK, где каждые три бита упаковываются в один символ. При этом скорость передачи составит 11 М символ/с, а информационная скорость - 22 Мбит/с (см. рис. 31).

Рисунок 31. Схема кодирования при скорости передачи 22 Мбит/с

Аналогичная технология кодирования предусматривается протоколом 802.11g и на скорости 33 Мбит/с, но для повышения скорости используется увеличение входной скорости данных и еще большее уменьшение избыточности.

В самом стандарте 802.11g обязательными являются скорости передачи 1; 2; 5,5; 6; 11; 12 и 24 Мбит/с, а более высокие скорости передачи (33, 36, 48 и 54 Мбит/с) - опциональными. Кроме того, одна и та же скорость передачи может реализовываться при различной технике модуляции. Например, скорость передачи 24 Мбит/с может быть достигнута как при многочастотном кодировании OFDM, так и при гибридной технике кодирования CCK-OFDM (см. таблицу 8).

Таблица 8. Скорости передачи, предусмотренные протоколом 802.11g

Скорость, Мбит/с	Метод кодирования
	Обязательно	Опционально
1	Последовательность Баркера
2	Последовательность Баркера
5,5	CCK	PBCC
6	OFDM	CCK-OFDM
9		OFDM, CCK-OFDM
11	CCK	PBCC
12	OFDM	CCK-OFDM
18		OFDM, CCK-OFDM
22		PBCC
24	OFDM	CCK-OFDM
33		PBCC
36		OFDM, CCK-OFDM
48		OFDM, CCK-OFDM
54		OFDM, CCK-OFDM

Для обязательных скоростей в стандарте 802.11g используется только кодирование CCK и OFDM, а гибридное кодирование и кодирование PBCC являются опциональными.

Любой передаваемый пакет данных содержит преамбулу, заголовок со служебный информацией и поле данных. Когда речь идет о пакете в формате CCK, имеется в виду, что заголовок и данные кадра передаются в формате CCK. Аналогично при использовании технологии OFDM заголовок кадра и данные передаются посредством OFDM-кодирования. При применении технологии CCK-OFDM заголовок кадра кодируется с помощью CCK-кодов, но сами данные кадра передаются с использованием многочастотного OFDM-кодирования. Таким образом, технология CCK-OFDM является своеобразным гибридом CCK и OFDM. Технология CCK-OFDM не единственная гибридная технология - при использовании пакетного кодирования PBCC заголовок кадра передаётся с использованием CCK-кодов, только данные кадра кодируются с использованием PBCC (рис. 32).

Рисунок 32. Форматы кадров при использовании различного

кодирования в 802.11g

2.6 Метод доступа к физической среде передачи CSMA/CA

Уровень MAC стандарта 802.11 реализует доставку данных, управление доступом к физическому уровню и безопасность передачи данных. В радиоканалах из-за воздействия большого количества факторов, таких как помехи, шум, искажения, затухание, отражения возможны потери данных. Для исключения потерь данных в стандарте 802.11 предусмотрено использование помехоустойчивого кодирования и повторная передача по запросу на MAC уровне. Благодаря запросу повторной передачи пакет данных MAC уровня будет обязательно доставлен адресату.

Базовый алгоритм соединения для передачи данных содержит два действия: передачу кадра данных от источника и передачу подтверждения приема (АСК) от получателя источнику сообщения. Для повышения надежности передачи данных имеется алгоритм с обменом четырьмя кадрами (см. рис. 33).

Рисунок 33. Алгоритм установления соединения с использованием

запроса передачи

Источник передает кадр запроса передачи (RTS - Request To Send) и тем самым оповещает все станции в зоне радиовидимости о том, что происходит обмен информацией. Все станции, принявшие кадр RTS, воздерживаются от передачи для исключения конфликтов. Станция-получатель отвечает станции-источнику кадром готовности к приему (CTS - Clear To Send). После приема кадра CTS станция-источник передает кадр данных, а станция-получатель после приема кадра данных передает кадр подтверждения приема (АСК - Acknowledge).

Для управления доступом к физической среде стандартом используется протокол DFW MAC, который основан на контроле несущей и устранении конфликтов путем подтверждения приема данных при многостанционном доступе (протокол доступа CSMA-CA).

Для определения, занят или нет канал используется алгоритм оценки уровня сигнала в канале (ССА), предусматривающий измерение мощности сигналов на входе приемника (RSSI) и качества сигнала (SQ). Если мощность сигналов на входе приемника ниже заданного порогового значения, то канал считается свободным, и на уровне доступа к каналу (MAC) состояние канала устанавливается равным «свободен» (CTS). Если мощность принятых сигналов выше порогового значения, то передача данных не производится в соответствии с протоколом.

Протокол DFW MAC за счет процедуры подтверждения приема и повторной передачи на уровне MAC позволяет восстанавливать данные на низком уровне, что обеспечивает надежность связи в условиях конфликтов при доступе к общей среде и внешних помех.

Конфликты между передаваемыми пакетами возможны, так как распознавание приемником несущей уже передаваемого сигнала другими станциями затруднено из-за существенного разброса амплитуд сигналов вследствие затухания распространения, а также из-за того, что станции стандарта 802.11 работают в полудуплексном режиме, поэтому во время передачи данных не принимают сигналы, а следовательно, не обнаруживают конфликты. В результате возможны ошибки в принятии решения о занятости канала и, следовательно, одновременная передача пакетов двумя или более станциями. Устранение этого недостатка обеспечивается уменьшением зоны обслуживания, либо расширением динамического диапазона приемников станций, определяющих наличие чужой несущей в канале.

Протокол DFW MAC позволяет вводить приоритеты для передачи сигналов с различной категорией важности либо с повышенными требованиями к задержке передачи Приоритеты реализуются через введение задержки разрешения захвата канала. Это возможно благодаря «соревновательному» принципу захвата канала абонентской станцией: первая начавшая передачу после освобождения канала станция занимает канал (рис. 34).

Рисунок 34. Принцип захвата канала абонентской станцией по

протоколу DFW MAC

Протокол CSMA/CA с задержкой разрешения захвата канала функционирует следующим образом.

Абонентская станция, готовая к передаче данных, прослушивает канал и, если канала свободен, то станция задерживает передачу данных на время задержки разрешения захвата. Передача данных начинается, если в момент времени t₀+_зк канал оказывается свободным.

Таким образом, если канал занят либо занимается другой станции в течение времени задержки разрешения захвата, канал абонентской станции, у которой установлено данное значение _зк, не может быть занят.

Поэтому, если освобождение канала для передачи данных ожидают одновременно две станции с разными значениями _зк, то канал после освобождения будет занят той станцией, у которой _зк меньше (см. рис. 35).

Рисунок 35. Принцип захвата канала абонентской станцией по

протоколу CSMA/CA

Если станции с меньшим _зк не требуется передача пакетов данных, то канал может занять станция 2. Однако в любом случае абонентские станции с _зк1 имеют преимущество по захвату канала, так как меньшее время _зк дает им возможность первоочередного захвата канала. Таким образом и реализуется приоритетная передача информации.

В DFW MAC используется три значения задержки захвата каналов. Наименьшая задержка захвата используется для сообщений, требующих минимальной задержки передачи, например речи. Для управляющей информации имеет место среднее значение задержки захвата, и наибольшее значение задержки захвата используется для асинхронной передачи данных.

Структура кадра MAC стандарта 802.11 приведена на рис. 36:

Рисунок 36. Формат кадра МАС стандарта 802.11

FC - поле управления кадром используется для указания типа кадра и передачи битов управления.

Версия протокола 802.11 обозначается двумя битами и допускает четыре варианта. Кадры уровня MAC могут содержать информацию управления, данные и информацию контроля состояния оборудования. Детализация действий АС после приема кадра содержится в поле указателя действий, состоящем из четырех бит.

DS1, DS2 - указатели направления передачи данных показывают, кому предназначены данные: распределительной системе (к точкам доступа) или станции, и источник данных.

MF - если количество пакетов MAC больше одного и передаваемый пакет не последний, то указатель количества пакетов устанавливается в единичное состояние.

RT - если пакет передается повторно, то указатель повторной передачи выставляется в единичное состояние.

PM - указатель режима излучения используется для включения режимов энергосбережения.

MD - если текущим кадром МАС-уровня не исчерпываются все предназначенные к передаче данные, то указатель количества данных устанавливается в единичное состояние, что соответствует неполной передаче данных.

W - единичное состояние указателя использования алгоритма шифрования и конфиденциального обмена ключами в соответствии с протоком WEP говорит о применении алгоритмов шифрования.

O - в случае если кадры MAC содержат данные, последовательность которых строго упорядочена, то указатель соблюдения очередности устанавливается в единичное состояние.

В целом поле управления позволяет передавать информацию о необходимых действиях при организации приема-передачи данных в сети стандарта 802.11.

D/I - поле длительности соединения указывает время в микросекундах, которое требуется для передачи МАС-кадра. Иногда в этом поле указывается идентификатор соединения.

В МАС-кадре может быть указано четыре поля адреса: адрес источника, адрес получателя данных, адрес передающей станции и адрес приемной станции.

SC - в поле управления очередностью указываются номер пакета (4 бита), используемый при разбиении исходного сообщения на пакеты и последующей сборки, и порядковый номер (12 бит), который служит для нумерации кадров, передаваемых между конкретными станциями.

В поле данных передаются либо данные LLC-уровня, либо информация управления уровня MAC.

Для обнаружения ошибок в принимаемом кадре применяется 32-битовое поле проверки на четность. Ошибки только обнаруживаются. Исправление ошибок достигается в необходимых случаях повторной передачей по запросу.

Образующий полином двоичного кода проверки на четность задается выражением

g(x)=x³²+x²⁶ + x²³+x²² + x¹⁶ + x^l2+x¹¹+x¹⁰ + x⁸+x⁷ + x⁵+x⁴ + x² + x+1. [5]

Глава 3. Принципы построения интегрированной сети

.1 Требования, предъявляемые к локальным вычислительным

сетям

локальный проводной сеть интегрированный

Главным требованием, предъявляемым к сети, является выполнение сетью ее основной функции - обеспечение пользователям возможности доступа к разделяемым ресурсам. Остальные требования - производительность, надежность, совместимость, управляемость, защищенность, расширяемость и масштабируемость - связаны с качеством выполнения этой основной задачи (QoS).

.1.1 Производительность

Существует несколько основных характеристик производительности сети:

·  время реакции;

·        пропускная способность;

·        задержка передачи и вариация задержки передачи.

Время реакции сети определяется как интервал времени между возникновением запроса пользователя к какой-либо сетевой службе и получением ответа на этот запрос.

Время реакции сети обычно складывается из нескольких составляющих. В общем случае в него входит время подготовки запросов на клиентском компьютере, время передачи запросов между клиентом и сервером через сегменты сети и промежуточное коммуникационное оборудование, время обработки запросов на сервере, время передачи ответов от сервера клиенту и время обработки получаемых от сервера ответов на клиентском компьютере.

Пропускная способность отражает объем данных, переданных сетью или ее частью в единицу времени. Пропускная способность говорит о скорости выполнения внутренних операций сети - передачи пакетов данных между узлами сети через различные коммуникационные устройства. Она непосредственно характеризует качество выполнения основной функции сети - транспортировки сообщений.

Пропускную способность можно измерять между любыми двумя узлами или точками сети, например между клиентским компьютером и сервером, между входным и выходным портами маршрутизатора. Для анализа и настройки сети очень полезны данные о пропускной способности отдельных элементов сети.

Из-за последовательного характера передачи пакетов различными элементами сети общая пропускная способность сети любого составного пути в сети будет равна минимальной из пропускных способностей составляющих элементов маршрута. Для повышения пропускной способности составного пути необходимо в первую очередь обратить внимание на самые медленные элементы - таким элементом может быть маршрутизатор.

Задержка передачи определяется как задержка между моментом поступления пакета на вход какого-либо сетевого устройства или части сети и моментом появления его на выходе этого устройства. Этот параметр производительности отличается от времени реакции сети, тем, что всегда характеризует только сетевые этапы обработки данных, без задержек обработки компьютерами сети.

Пропускная способность и задержки передачи являются независимыми параметрами, так что сеть может обладать, например, высокой пропускной способностью, но вносить значительные задержки при передаче каждого пакета.

.1.2 Надежность и безопасность

Готовность означает долю времени, в течение которого система может быть использована. Готовность улучшается путем введения избыточности в структуру системы: ключевые элементы системы должны существовать в нескольких экземплярах, чтобы при отказе одного из них функционирование системы обеспечивали другие.

Интегрированная сеть должна как минимум обладать высокой готовностью. Но помимо этого необходимо обеспечить сохранность данных и защиту их от искажений. Также, должна поддерживаться согласованность данных, т.е. если для повышения надежности на нескольких файловых серверах хранится несколько копий данных, то нужно постоянно обеспечивать их идентичность.

Другим аспектом общей надежности является безопасность, то есть способность системы защитить данные от несанкционированного доступа.

Еще одной характеристикой надежности является отказоустойчивость - способность системы скрыть от пользователя отказ отдельных ее элементов. Например, если копии таблицы базы данных хранятся одновременно на нескольких файловых серверах, то пользователи просто не заметят отказ одного из них. В отказоустойчивой системе отказ одного из ее элементов приводит к некоторому снижению качества ее работы, а не к полной остановке.

.1.3 Расширяемость и масштабируемость

Расширяемость означает возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной.

Масштабируемость означает, что сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сети не ухудшается.

3.1.4 Прозрачность

Сеть прозрачна, когда она представляется пользователям не как множество отдельных компьютеров, связанных между собой сложной системой кабельных соединений, а как единая вычислительная машина с системой разделения времени.

Сеть должна скрывать все особенности операционных систем и различия в типах компьютеров.

.1.5 Поддержка разных видов трафика

Передача исключительно мультимедийного трафика компьютерной сетью хотя и связана с определенными сложностями, но вызывает меньшие трудности. А вот случай сосуществования двух типов трафика с противоположными требованиями к качеству обслуживания является намного более сложной задачей.

.1.6 Управляемость

Управляемость сети подразумевает возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети.

Средства управления сетями представляют собой систему, осуществляющую наблюдение, контроль и управление каждым элементом сети - от простейших до самых сложных устройств, при этом такая система рассматривает сеть как единое целое, а не как разрозненный набор отдельных устройств.

Однако большинство существующих средств не управляют сетью, а всего лишь осуществляют наблюдение за ее работой. Они следят за сетью, но не выполняют активных действий, если с сетью что-то произошло или может произойти.

.1.7 Совместимость

Совместимость или интегрируемость означает, что сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение, то есть в ней могут сосуществовать различные операционные системы, поддерживающие разные стеки коммуникационных протоколов, и работать аппаратные средства и приложения от разных производителей. [1]

Вышеперечисленным требованиям наиболее полно отвечает технология локальных сетей Ethernet. Это наиболее распространенная и не дорогая на сегодняшний день технология для построения локальных сетей. Сегодня в мире создано уже несколько миллионов сетей, работающих по протоколу Ethernet на разных скоростях.

Стандарт Fast Ethernet, являющийся расширением основного стандарта, обеспечивает скорость передачи данных до 100 Мбит/с. Универсальность стандарта заключается еще и с том, что имеется возможность использования различных сред передачи сигналов: витая пара или оптическое волокно.

Сети Ethernet устраивали пользователей в течение очень длительного времени, но с бурным развитием мобильных технологий проводные сети начали сковывать передвижения мобильных абонентов. Назрела необходимость во внедрении и широком использовании беспроводных стандартов локальных сетей. Специально для этого был создан стандарт Radio Ethernet, являющийся беспроводной версией протокола Ethernet. Сети построенные по беспроводному протоколу часто называются сетями Wi-Fi (Wireless Fidelity).

У обоих стандартов много общего, что позволяет без серьезных затруднений объединять проводные и беспроводные сети. Поэтому построение интегрированной сети целесообразно вести с использованием данных технологий. Такой подход обеспечит хорошую совместимость оборудования и высокую пропускную способность сети.

3.2 Обзор топологий локальных сетей Ethernet

В сетях с небольшим количеством компьютеров чаще всего используется одна из типовых топологий - общая шина, кольцо, звезда или полносвязная сеть. Все перечисленные топологии обладают свойством однородности, то есть все компьютеры в такой сети имеют одинаковые права в отношении доступа к другим компьютерам (за исключением центрального компьютера при соединении звезда). Такая однородность структуры делает простой процедуру наращивания числа компьютеров, облегчает обслуживание и эксплуатацию сети.

Однако при построении больших сетей однородная структура связей превращается в недостаток. В таких сетях использование типовых структур порождает различные ограничения, важнейшими из которых являются:

·   ограничения на длину связи между узлами;

·        ограничения на количество узлов в сети;

·        ограничения на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети.

Для снятия этих ограничений используются специальные методы структуризации сети и специальное структурообразующее оборудование - коммутаторы, маршрутизаторы.

В стандарте Fast Ethernet строго зафиксирована топология электрических связей. Компьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой «общая шина» (рис. 37). С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера могут обмениваться данными. Управление доступом к линии связи осуществляется специальными контроллерами - сетевыми адаптерами Fast Ethernet. Передача данных происходит со скоростью 100 Мбит/с. Эта величина является пропускной способностью сети Fast Ethernet.

Главным достоинством сетей Ethernet является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент кабеля нужной длины.

Рисунок 37. Сеть Ethernet

.2.1 Физическая и логическая структуризация сети

Под физической топологией понимается конфигурация связей, образованных отдельными частями кабеля, а под логической - конфигурация информационных потоков между компьютерами сети. Во многих случаях физическая и логическая топологии сети совпадают.

Сеть с типовой топологией (шина, кольцо, звезда), в которой все физические сегменты рассматриваются в качестве одной разделяемой среды, оказывается неадекватной структуре информационных потоков в большой сети. Например, в сети с общей шиной взаимодействие любой пары компьютеров занимает ее на все время обмена, поэтому при увеличении числа компьютеров в сети шина становится узким местом.

Решение проблемы состоит в отказе от идеи однородной единой разделяемой среды в пределах всей сети. Для логической структуризации сети используются такие коммуникационные устройства, как коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

Коммутатор делит разделяемую среду передачи сети на части (часто называемые логическими сегментами), передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если такая передача действительно необходима, то есть если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. Тем самым коммутатор изолирует трафик одной подсети от трафика другой, повышая общую производительность передачи данных в сети. Локализация трафика не только экономит пропускную способность, но и уменьшает возможность несанкционированного доступа к данным, так как кадры не выходят за пределы своего сегмента и их сложнее перехватить злоумышленнику.

На рис. 38 показана сеть, логически структурированная с помощью коммутаторов. Каждый логический сегмент построен на базе коммутатора доступа и имеет простейшую физическую структуру, образованную отрезками кабеля, связывающими компьютеры с портами коммутатора. Уровень доступа управляет доступом пользователей к ресурсам сети. Все сегменты соединены коммутатор уровня распределения.

Рисунок 38. Логическая структуризации сети с помощью коммутатора

Коммутатор используют для локализации трафика аппаратные адреса компьютеров. Он запоминает, через какой порт на него поступил кадр данных от каждого компьютера сети, и в дальнейшем передает кадры, предназначенные для этого компьютера, на этот порт. Точной топологии связей между логическими сегментами коммутатор не знает. Из-за этого применение коммутаторов приводит к значительным ограничениям на конфигурацию связей сети - сегменты должны быть соединены таким образом, чтобы в сети не образовывались замкнутые контуры.

Каждый порт коммутатора оснащен специализированным процессором, который обрабатывает кадры по алгоритму моста независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутатора обычно намного выше производительности традиционного моста, имеющего один процессорный блок.

Ограничения, связанные с применением коммутаторов - по топологии связей, а также ряд других причин, - привели к тому, что в ряду коммуникационных устройств появился еще один тип оборудования - маршрутизатор. Маршрутизаторы более надежно и более эффективно, чем коммутаторы, изолируют трафик отдельных частей сети друг от друга. Маршрутизаторы образуют логические сегменты посредством явной адресации. В адресах имеется поле номера сети, так что все компьютеры, у которых значение этого поля одинаково, принадлежат к одному сегменту, называемому в данном случае подсетью.

Кроме локализации трафика маршрутизаторы выполняют еще много других полезных функций. Так, маршрутизаторы могут работать в сети с замкнутыми контурами, при этом они осуществляют выбор наиболее рационального маршрута из нескольких возможных. Сеть, представленная на рис. 39, отличается от предыдущей (см. рис. 38) тем, что между подсетями рабочих групп 1 и 2 проложена дополнительная связь, которая может использоваться как для повышения производительности сети, так и для повышения ее надежности.

Рисунок 39. Логическая структуризация сети с помощью

маршрутизаторов

.2.2 Стандарты кабелей

Кабель - это изделие, состоящее из проводников, слоев экрана и изоляции. В некоторых случаях в состав кабеля входят разъемы, с помощью которых кабели присоединяются к оборудованию. В компьютерных сетях применяются кабели, удовлетворяющие определенным стандартам, что позволяет строить кабельную систему сети из кабелей и соединительных устройств разных производителей.

В стандарте оговариваются электрические, оптические и механические характеристики, которым должен удовлетворять тот или иной тип кабеля или соединительного изделия - разъема, кроссовой коробки и т. п. Однако для какого протокола предназначен данный кабель, стандарт не оговаривает.

В стандартах кабелей оговаривается достаточно много характеристик, из которых наиболее важные:

·  Затухание (Attenuation). Затухание измеряется в децибелах на метр для определенной частоты или диапазона частот сигнала;

·        Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk, NEXT). Измеряются в децибелах для определенной частоты сигнала;

·        Импеданс (волновое сопротивление) - это полное (активное и реактивное) сопротивление в электрической цепи. Импеданс измеряется в Омах и является относительно постоянной величиной для кабельных систем. Для неэкранированной витой пары наиболее часто используемые значения импеданса - 100 и 120 Ом. В области высоких частот (100-200 МГц) импеданс зависит от частоты;

·        Активное сопротивление - это сопротивление постоянному току в электрической цепи. В отличие от импеданса активное сопротивление не зависит от частоты и возрастает с увеличением длины кабеля;

·        Емкость - это свойство металлических проводников накапливать энергию. Два электрических проводника в кабеле, разделенные диэлектриком, представляют собой конденсатор, способный накапливать заряд. Емкость является нежелательной величиной, так как высокое значение емкости в кабеле приводит к искажению сигнала и ограничивает полосу пропускания линии;

·        Уровень внешнего электромагнитного излучения или электрический шум. Электрический шум - это нежелательное переменное напряжение в проводнике. Электрический шум бывает двух типов: фоновый и импульсный. Электрический шум можно также разделить на низко-, средне- и высокочастотный. Источниками фонового электрического шума в диапазоне до 150 кГц являются линии электропередачи, телефоны и лампы дневного света; в диапазоне от 150 кГц до 20 МГц - компьютеры, принтеры, ксероксы; в диапазоне от 20 МГц до 1 ГГц - телевизионные и радиопередатчики, микроволновые печи. Основными источниками импульсного электрического шума являются моторы, переключатели и сварочные агрегаты. Электрический шум измеряется в милливольтах;

·        Диаметр или площадь сечения проводника. В европейских и международных стандартах диаметр проводника указывается в миллиметрах.

Основное внимание в современных стандартах уделяется кабелям на основе витой пары и волоконно-оптическим кабелям. Именно эти типы кабелей используются в технологии Fast Ethernet. Наиболее удобными и распространенными являются кабели на основе витой пары.

3.2.3 Кабели на основе неэкранированной витой пары

Медный неэкранированный кабель UTP в зависимости от электрических и механических характеристик разделяется на 5 категорий (Category I - Category 5).

Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных.

Кабели категории 2 способны передавать сигналы со спектром до 1 МГц. Кабели категории 3 были стандартизованы в 1991 году, когда были определены электрические характеристики кабелей категории 3 для частот в диапазоне до 16 МГц, поддерживающих, таким образом, высокоскоростные сетевые приложения. Кабель категории 3 предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса. Шаг скрутки проводов равен примерно 3 витка на 1 фут (30,5 см).

Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3. Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. На практике используются редко.

Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Поэтому их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство новых высокоскоростных стандартов ориентируются на использование витой пары 5 категории. На этом кабеле работают протоколы со скоростью передачи данных 100 Мбит/с -Fast Ethernet, а также более скоростной протокол - Gigabit Ethernet на скорости 1000 Мбит/с.

Наиболее важные электромагнитные характеристики кабеля категории 5 имеют следующие значения:

·  в полное волновое сопротивление в диапазоне частот до 100 МГц равно 100 Ом (стандарт ISO 11801 допускает также кабель с волновым сопротивлением 120 Ом);

·  величина перекрестных наводок NEXT в зависимости от частоты сигнала должна принимать значения не менее 74 дБ на частоте 150 кГц и не менее 32 дБ на частоте 100 МГц;

·        затухание имеет предельные значения от 0,8 дБ (на частоте 64 кГц) до 22 дБ (на частоте 100 МГц);

·        активное сопротивление не должно превышать 9,4 Ом на 100 м; емкость кабеля не должна превышать 5,6 нф на 100 м.

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а две - для передачи голоса. Для соединения кабелей с оборудованием используются вилки и розетки RJ-45, представляющие 8-контактные разъемы, похожие на обычные телефонные разъемы RJ-11.

Особое место занимают кабели категорий 6 и 7. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 200 МГц, а для кабелей категории 7 - до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем как каждая пара, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным. Основное назначение этих кабелей - поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель UTP категории 5. [2]

Технологии локальных сетей Ethernet и Fast Ethernet достаточно хорошо и подробно изучены. На эту тему существует множество изданий известных авторов, в которых описываются все нюансы данных протоколов. Поэтому далее в этой главе будет рассматриваться технология построения беспроводных локальных сетей.

Локальные беспроводные сети стандарта 802.11 получают все большее распространение в основном благодаря тому, что они просты в развертывании и удобны в эксплуатации. С точки зрения пользователя их функции и характеристики точно такие же, как и у локальных сетей стандарта Ethernet. Но архитектура 802.11 намного сложнее. Проблемы, которые приходится решать в неконтролируемой радиосреде, сложнее, чем в контролируемой проводной среде Ethernet.

Подуровень MAC стандарта 802.11 должен управлять механизмом, обеспечивающим беспрепятственный доступ к среде передачи. Станции стандарта 802.11 не обладают способностью обнаруживать коллизии, как это делают Ethernet-станции, осуществляющие множественный доступ к сети с контролем несущей и обнаружением коллизий. Вследствие этого для доступа к среде необходим более сложный и масштабируемый подуровень MAC при минимальных дополнительных издержках.

3.3 Обзор топологий беспроводных сетей Wi-Fi

Сети стандарта 802.11 могут строиться по любой из следующих топологий:

·    Независимые базовые зоны обслуживания (Independent Basic Service Sets, IBSSs);

·        Базовые зоны обслуживания (Basic Service Sets, BSSs);

·        Расширенные зоны обслуживания (Extended Service Sets, ESSs).

Зона обслуживания (Service Set) в данном случае - это логически сгруппированные устройства.

.3.1 Независимые базовые зоны обслуживания (IBSS)

IBSS представляет собой группу работающих в соответствии со стандартом 802.11 станций, связывающихся непосредственно одна с другой. IBSS также называют специальной Ad-Hoc сетью, потому что она по сути представляет собой простую одноранговую WLAN. На рис. 40 показано, как станции, оборудованные беспроводными сетевыми интерфейсными картами (network interface card, NIC) стандарта 802.11, могут формировать IBSS и напрямую связываться одна с другой.

Рисунок 40. Ad-Hoc сеть (IBSS)

Специальная сеть, или независимая базовая зона обслуживания (IBSS), возникает, когда отдельные устройства-клиенты формируют самоподдерживающуюся сеть без использования отдельной точки доступа (AP - Access Point). При создании таких сетей не разрабатывают какие-либо карты места их развертывания и предварительные планы, поэтому они обычно невелики и имеют ограниченную протяженность, достаточную для передачи совместно используемых данных при возникновении такой необходимости.

Клиенты непосредственно устанавливают соединения друг с другом, в результате чего создается только одна базовая зона обслуживания (BSS), не имеющая интерфейса для подключения к локальной проводной сети, т.е. отсутствует какая-либо распределительная система, которая необходима для объединения BSS и организации, таким образом, ESS. Не существует каких-либо оговоренных стандартом ограничений на количество устройств, которые могут входить в одну независимую базовую зону обслуживания.

Поскольку в IBSS отсутствует точка доступа, распределение времени (timing) осуществляется нецентрализованно. Клиент, начинающий передачу в IBSS, задает сигнальный (маячковый) интервал (beacon interval) для создания набора моментов времени передачи маячкового сигнала (set of target beacon transmission time, TBTT). Когда завершается ТВТТ, каждый клиент IBSS выполняет следующее:

·    Приостанавливает все несработавшие таймеры задержки (backoff timer) из предыдущего ТВТТ;

·        Определяет новую случайную задержку;

·        Если маячковый сигнал поступает до окончания случайной задержки, возобновляет работу приостановленных таймеров задержки. Если никакой маячковый сигнал не поступает до окончания случайной задержки, посылает маячковый сигнал и возобновляет работу приостановленных таймеров задержки.

В маячковые сигналы встроена функция синхронизации таймера (timer synchronization function, TSF). Каждый клиент сравнивает TSF в маячковом сигнале со своим собственным таймером и, если полученное значение больше, считает, что часы передающей станции идут быстрее и подстраивает свой собственный таймер в соответствии с полученным значением.

.3.2 Базовые зоны обслуживания (BSS)

BSS - это группа работающих по стандарту 802.11 станций, связывающихся одна с другой. Технология BSS предполагает наличие особой станции, которая называется точка доступа AP (Access Point). Точка доступа - это центральный пункт связи для всех станций BSS. Клиентские станции не связываются непосредственно одна с другой. Вместо этого они связываются с точкой доступа, а уже она направляет кадры к станции-адресату.

Точка доступа может иметь порт восходящего канала (uplink port), через который BSS подключается к проводной сети (например, восходящий канал Ethernet). Поэтому BSS иногда называют инфраструктурой BSS.

На рис. 41 представлена типичная инфраструктура BSS.

Рисунок 41. Инфраструктура локальной беспроводной сети BSS

3.3.3 Расширенные зоны обслуживания (ESS)

Несколько инфраструктур BSS могут быть соединены через их интерфейсы восходящего канала. Там, где действует стандарт 802.11, интерфейс восходящего канала соединяет BBS с распределительной системой (Distribution System, DS). Несколько BBS соединенных между собой через распределительную систему, образуют расширенную зону обслуживания (ESS). Восходящий канал к распределительной системе не обязательно должен использовать проводное соединение. На рисунке 42 представлен пример практического воплощения ESS. Спецификация стандарта 802.11 оставляет возможность реализации этого канала в виде беспроводного. Но чаще восходящие каналы к распределительной системе представляют собой каналы проводной технологии Ethernet. [3]

Рисунок 42. Расширенная зона обслуживания ESS локальной

беспроводной сети

.3.4 Распределенная функция координации (DCF)

Утвержденный IEEE механизм доступа для сетей стандарта 802.11 - это распределенная функция координации (DCF), механизм доступа к среде, основанный на методе CSMA/CA.

При работе с использованием DCF станция, намеревающаяся передать фрейм, должна выждать определенное время после того, как среда освободится. Этот интервал времени называется межкадровый зазор DCF (DCF Interframe Space, DICF). По истечении интервала времени DICF станция может принять участие в состязании за право доступа к среде (см. рис. 43).

Существует большая вероятность того, что обе станции одновременно попытаются начать передачу тотчас после освобождения среды, что приведет к возникновению коллизии. Чтобы избежать этой ситуации, DCF использует таймер случайной задержки (Random Backoff Timer).

Рисунок 43. Временная диаграмма доступа к среде с использованием

При использовании случайного алгоритма задержки случайным образом выбирается значение в диапазоне от 0 до значения, соответствующего ширине окна конкуренции (Contention Window, CW). По умолчанию значения CW устанавливаются производителем и хранятся в памяти сетевой карты станции. Диапазон значений случайной задержки начинается с 0 и заканчивается максимальным значением.

Станция случайным образом выбирает значение между 0 и текущим значением CW. Случайное значение представляет собой количество канальных интервалов по стандарту 802.11, в течение которых станция, уже после освобождения среды в окне конкуренции, должна воздерживаться от передачи (см. рис. 44). Канальный интервал (Slot Time) - это значение времени, определяемое параметрами физического уровня, основанными на характеристиках радиочастотного канала BSS.

Рисунок 44. Передача кадра по истечении времени случайной задержки

Спецификация 802.11 требует, чтобы принимающая станция передала станции-отправителю кадр подтверждения. Этот кадр подтверждения позволяет станции-отправителю непосредственно определить, произошла ли в среде передачи коллизия. Если передающая станция не получает кадр подтверждения, она считает, что в среде передачи произошла коллизия. Передающая станция обновляет значение своего счетчика числа попыток, удваивает ширину окна конкуренции и начинает процесс доступа к среде сначала.

Кадрам подтверждения разрешается не принимать участия в процессе случайной задержки, поэтому долго ждать возможности передать подтверждение после получения кадра станции не приходится. Короткий промежуток времени, который приемная станция проводит в ожидании такой возможности, называется короткий межкадровый зазор (Short Interframe Space, SIFS). Интервал SIFS короче, чем интервал DIFS, на два канальных интервала (см. рис. 45). Это гарантирует принимающей станции наибольший шанс получения доступа к среде для передачи по сравнению с другими станциями.

Рисунок 45. Передача кадра и подтверждения

.3.5 Точечная функция координации (PCF)

Точечная функция координации (Point Coordination Function, PCF) - это опциональный, необязательный механизм доступа к среде, который используется дополнительно к механизму DCF.

Механизм PCF обеспечивает не подверженную конкуренции за среду передачу кадров к точке доступа и от нее. Большинство производителей не обеспечивают поддержку механизма PCF в своих устройствах, потому что он увеличивает нагрузку (количество передаваемых служебных, т.е. неинформационных, сигналов). В результате его распространенность невелика.

Период, свободный от конкуренции (Contention Free Period, CFP), - это временное окно, период, в течение которого осуществляется работа механизма PCF. Период CFP начинается с набора интервалов, следующих за сигнальным (маячковым) кадром (beacon frame). Частота следования периодов CFP определяется администратором сети. После начала периода CFP точка доступа начинает играть роль точки координации, а это означает, что работа PCF возможна только в инфраструктурах BSS.

В отличие от работы в соответствии с DCF, при работе под управлением механизма PCF станции не имеют свободного доступа к среде и не могут свободно передавать данные. Станции могут передавать данные (по одному кадру за один раз) только тогда, когда точка координации производит их опрос. Точка координации может посылать кадры станциям, опрашивать их на предмет передачи кадров, подтверждать прием кадров в соответствии с требованиями МАС-уровня или закончить CFP.

Когда начинается период, свободный от конкуренции, точка координации должна получать доступ к среде таким же образом, как это делает станция DCF. Но, в отличие от станции DCF, точка координации пытается получить доступ к среде через интервал времени, называемый преимущественный межкадровый интервал (Priority Interframe Space, PIFS). Интервал PIFS на один канальный интервал дольше, чем интервал SIFS, и на один канальный интервал короче, чем интервал DIFS, что позволяет PCF-станциям получать доступ к среде раньше DCF-станций. Вдобавок они могут использовать управляющие кадры, такие как кадры подтверждения, для обеспечения наивысшей вероятности получения доступа к среде.

После ожидания в продолжение интервала PIFS точка координации посылает начальный сигнальный кадр, содержащий информационный элемент с параметром функции координации (CF). Точка координации ожидает в продолжение одного интервала SIFS следующей за сигнальным кадром передачи и затем посылает опрашиваемой станции один из следующих кадров:

·    Кадр данных;

·        Кадр опроса;

·        Комбинация кадров данных и опроса;

·        Кадр конца периода CFP.

Если точка координации не имеет кадров, которые нужно передать, и ей не нужно опрашивать станции, CFP считается равным нулю и немедленно точка координации посылает кадр конца периода CFP, завершающий период CFP. [7]

3.4 Возможность соединения станций

Три сеанса обмена происходят между беспроводной станцией и точкой доступа прежде чем они соединятся в BSS:

·    Процесс зондирования;

·        Процесс аутентификации;

·        Процесс привязки (ассоциирования).

.4.1 Процесс зондирования

Станция-клиент посылает зондирующий кадр запроса (Probe Request Frame) стандарта 802.11. Обычно станция стандарта 802.11 посылает зондирующий кадр запроса по каждому доступному ей каналу. Этот процесс не оговорен в спецификации стандарта 802.11. Зондирующий кадр запроса содержит информацию о беспроводной станции стандарта 802.11 - какую скорость передачи данных поддерживает станция и к какой зоне обслуживания она принадлежит. На рис. 46 представлен формат зондирующего кадра запроса. Ключевые поля зондирующего запроса следующие:

·    Элемент SSID, который содержит SSID, посредством которого сконфигурирована станция;

·        Элемент поддерживаемых скоростей, указывающий все скорости передачи данных, поддерживаемые клиентом.

Рисунок 46. Формат зондирующего кадра запроса

Клиентские станции посылают зондирующие кадры запроса так, как будто они ничего не знают о точках доступа, которые зондируют.

Поэтому многие запросы посылаются с наименьшей возможной скоростью передачи данных, составляющей 1 Мбит/с.

Когда точка доступа получает зондирующий кадр запроса, по отношению к которому была успешно выполнена процедура проверки контрольной последовательности фрейма (Frame Check Sequence, FCS), она посылает в ответ зондирующий кадр ответа. На рис. 47 представлен зондирующего кадра ответа.

Ключевые поля зондирующего фрейма ответа следующие:

·   Поле метки времени (Timestamp Field);

·        Поле сигнального интервала (Beacon Interval Field). Число тактов (Time Units, TUs) между маячковыми сигналами. Длительность такта составляет 1024 мкс;

·        Поле информационной способности (Capability Information Field). Указывает на возможности MAC и PHY уровня;

·        Элемент SSID, указывающий SSID, с которым сконфигурирована точка доступа;

·        Элемент поддерживаемых скоростей передачи. Все скорости передачи данных, поддерживаемые точкой доступа;

·        Элемент набора параметров PHY (PHY Parameter Set Element). Может указывать или на технологию FHSS, или на технологию DSSS. Этот элемент обеспечивает предоставление специфической информации уровня PHY для клиентской станции.

Рисунок 47. Формат зондирующего кадра ответа

Когда клиентская станция получает зондирующий кадр ответа, она может определить уровень сигнала полученного фрейма. Эта станция сравнивает зондирующие фреймы ответа и определяет, к какой точке доступа они относятся. Механизм, благодаря которому клиентская станция выбирает точку доступа для привязки к ней, не описан в стандарте 802.11, так что он реализуется поставщиком самостоятельно. В общем случае критерий выбора точки доступа может включать согласование SSID, уровня сигналов, поддерживаемых скоростей передачи данных и собственные критерии поставщика.

.4.2 Процесс аутентификации

Процесс аутентификации по стандарту 802.11 может выполняться в двух режимах: аутентификация с открытым ключом (open authentication) и аутентификация с совместно используемым ключом (shared-key authentication). Аутентификация в соответствии со стандартом ориентирована в основном на аутентификацию устройства (а не пользователя), и ее процесс состоит в определении, принадлежит ли данное устройство локальной сети. На рис. 48 показан формат кадра аутентификации, а на рис. 49 - кадра деаутентификации.

Рисунок 48. Формат кадра аутентификации

Рисунок 49. Формат кадра деаутентификации

.4.3 Процесс привязки

Процесс привязки по стандарту 802.11 позволяет точке доступа выделить для беспроводной станции логический порт или присвоить ей идентификатор ассоциации (Association Identifier, AID). Процесс привязки начинается беспроводной станцией с кадра запроса на ассоциирование, содержащего информацию о возможностях клиента, и завершается кадром ответа на ассоциирование, посылаемого точкой доступа. Ответ на ассоциирование может быть положительным или отрицательным и содержать код, указывающий на причины отказа. На рис. 50 представлен формат кадра запроса на ассоциирование, а на рис. 51 -кадра ответа на ассоциирование.

Ключевые поля кадра запроса на соединение следующие:

·    Интервал прослушивания (Listen Interval). Значение интервала прослушивания используется в режиме экономии энергопотребления и сообщается клиентской станцией точке доступа. Оно информирует точку доступа о том, как часто эта станция выходит из режима экономии энергопотребления, чтобы получить кадры, буферизированные в точке доступа;

·        Элемент SSID. Описывает SSID клиентской станции для точки доступа. В нормальном режиме работы точка доступа не принимает запросы на ассоциацию от станций с SSID, отличающимся от тех, которые сконфигурированы в точке доступа;

·    Элемент поддерживаемых скоростей передачи, указывающий точке доступа, какие скорости передачи поддерживает клиентская станция.

Рисунок 50. Формат кадра запроса на ассоциирование

Ключевые поля кадра ответа на ассоциирование следующие:

·    Код состояния (Status Code). Этот элемент указывает код состояния, определяемый из фрейма ответа на ассоциирование;

·        Идентификатор ассоциации (AID). Клиентская станция должна знать это значение, когда она работает в режиме энергосбережения. Точка доступа посылает оповещения в сигнальных кадрах, указывающие, какие AID имеют буферизованные фреймы;

·        Элемент поддерживаемых скоростей передачи, указывающий, какие скорости передачи поддерживает точка доступа.

Рисунок 51. Формат кадра ответа на ассоциирование

На рис. 52 показан формат кадра запроса на реассоциирование, а на рис. 53 показан формат кадра ответа на реассоциирование.

Кадр запроса на реассоциирование почти идентичен кадру запроса на ассоциирование, но имеет дополнительное поле, содержащее текущий адрес точки доступа. Главная цель этого фрейма - известить точку доступа о том, что станция, ассоциирующаяся с нею в данный момент, уже имела ассоциацию ранее. Новая точка доступа может запросить старую точку доступа, имеет ли она буферизированные для этой станции фреймы с целью роуминга клиента; подобная возможность может быть реализована производителем, но она не описана в стандарте 802.11.

Рисунок 52. Формат кадра запроса на реассоциирование

Кадр ответа на реассоциирование идентичен фрейму ответа на ассоциирование.

Рисунок 53. Формат кадра ответа на реассоциирование

На рис. 54 показан формат фрейма диссоциирования. [8]

Рисунок 54. Формат кадра диссоциирования

3.5 Радиочастотный тракт

Одной из важнейших характеристик радиостанции является мощность ее передатчика. Выходная мощность измеряется в линии передачи, кабеле или антенне и обычно указывается в ваттах (Вт) или милливаттах (мВт). Для сравнения мощностей применяется логарифмическая шкала; отношение мощностей измеряется в децибелах (дБ). Производители радиостанций указывают их мощность в dBm, т.е. в децибелах по отношению к мощности в 1 мВт, или в dBW, т.е. в децибелах по отношению к мощности 1 Вт.

В таблице 9 приведены соотношения для некоторых значений мощности в абсолютных и относительных единицах.

Таблица 9. Примеры значений мощности, указанной в абсолютных и

относительных величинах

мВт	Вт	dBm	dBW
1	0.001	0	-30
2	0.002	3	-27
5	0.005	7	-23
10	0.01	10	-20
20	0.02	13	-17
50	0.05	17	-13
100	0.1	20	-10
1000	1	30	0
2000	2	33	3
4000	4	36	6

.5.1 Антенны и их характеристики

IEEE определяет антенну так: "часть передающей или принимающей системы, предназначенная для излучения или приема электромагнитных волн". Обычно приемные и передающие свойства антенны эквивалентны; это означает, что такие параметры антенны, как коэффициент усиления, диаграмма излучения или частота, одинаковы.

Радиосигнал создается источником переменного напряжения определенной частоты, который индуцирует в антенне переменный ток, создающий, в свою очередь, электромагнитное поле.

Следует различать поле в ближней зоне, т.е. поле вблизи антенны, и поле в дальней зоне. Поле в дальней зоне, в отличие от поля в ближней зоне, характеризуется тем, что расстояние от антенны значительно превышает длину волны излучения или размеры антенны. Производители антенн, указывая их характеристики, имеют в виду поле в дальней зоне.

Удобным эталоном, применяемым при сравнении различных антенн, являются изотропный излучатель и изотропная антенна. Это - математическая абстракция, применяемая при описании идеальной антенны, одинаково излучающей во всех направлениях. Если представить сферу с изотропным излучателем в ее центре, то во всех точках поверхности сферы электромагнитное поле будет одинаковым.

Основными свойствами антенны являются диаграмма излучения, направленность, коэффициент усиления, входной импеданс, поляризация и полоса частот.

Диаграмма излучения антенны описывает "угловое изменение радиоизлучения на фиксированном расстоянии от антенны". Диаграмма излучения часто описывается в терминах направленности или коэффициента усиления. Направленность антенны описывает интенсивность излучения в определенном направлении по отношению к средней интенсивности излучения. Иначе говоря, она указывает плотность мощности излучения по отношению к однородно распределенной мощности излучения.

Коэффициент усиления описывает то же самое, но уже с учетом потерь в самой антенне.

Поскольку все реальные антенны имеют потери, коэффициент усиления, учитывающий их, является наиболее часто упоминаемым параметром антенны. Единицы измерения, используемые для указания коэффициента усиления, - это или dBi, коэффициент усиления в децибелах по отношению к изотропной антенне, или dBd, коэффициент усиления в децибелах по отношению к антенне, называемой полуволновая (симметричная) антенна (или вибратор, иногда - диполь). При преобразовании одного значения в другое нужно добавить 2,2 к значению коэффициента усиления, выраженного в dBd, чтобы получить значение коэффициента усиления, выраженное в dBi. Важно знать, как следует осуществлять такое преобразование, поскольку, хотя многие поставщики указывают коэффициент усиления в dBi, некоторые все же указывают его в dBd.

На рис. 55 представлен образец диаграммы излучения для направленной антенны.

Рисунок 55. Образец диаграммы излучения направленной антенны

Излучение осуществляется в трехмерном пространстве. Обычно антенна имеет главный лепесток, который располагается в направлении максимального коэффициента усиления, и характеризуется также второстепенными лепестками. Производители часто описывают свои антенны, сообщая коэффициент усиления именно для главного лепестка.

Электромагнитные волны, излучаемые антенной, могут по-разному распространяться в среде. Особенности распространения зависят от поляризации передающей антенны. Она может быть линейной или круговой.

Большинство антенн, используемых в WLAN, являются антеннами с линейной поляризацией, горизонтальной или вертикальной. Первое утверждение означает, что вектор электрического поля лежит в вертикальной плоскости, второе - что в горизонтальной. Чаще применяется вертикальная поляризация, хотя в некоторых ситуациях антенны с горизонтальной поляризацией эффективнее. При построении сети для линии связи, работающей в пределах прямой видимости, на обоих ее концах нужно использовать антенны с одинаковой поляризацией.

Коэффициент полезного действия антенны - это отношение общей мощности, излучаемой антенной, к полезной мощности, полученной ею от передатчика.

Если антенна соединяется с передатчиком посредством кабеля и ее импеданс согласован с импедансами передатчика и линии передачи, то в антенну передается максимальная мощность. Однако если импедансы не согласованы, часть энергии будет отражаться обратно к источнику, и лишь оставшаяся поступать на антенну. Эти отражения характеризует коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН, VSWR). Если отражения отсутствуют, КСВН равен 1. Высокий КСВН и линия передачи с высоким затуханием приводят к потерям существенной части энергии.

Полоса пропускания антенны определяется диапазоном частот, в котором антенна имеет приемлемые рабочие параметры. Обычно указываются максимальная и минимальная частоты.

.5.2 Типы антенн

Изотропный излучатель является идеальной, нереализуемой на практике антенной, одинаково излучающей во всех направлениях.

Ненаправленная (или всенаправленная) антенна (см. рисунок 56) имеет одинаковый коэффициент усиления для всех направлений в заданной плоскости (чаще всего горизонтальной). Дипольные антенны обычно бывают ненаправленными (см. рис. 57). Ненаправленные антенны обычно используются в беспроводных LAN общего применения, поскольку они обеспечивают покрытие во всех направлениях.

Рисунок 56. Излучение от простой антенны-диполя

Антенны Уда-Яги - одни из самых распространенных направленных антенн, потому что они просты в изготовлении (см. рис. 58). Направленные антенны, такие как антенны Уда-Яги, обычно обеспечивают покрытие в труднодостижимых зонах или когда необходим больший радиус действия, чем обеспечиваемый ненаправленной антенной.

Микрополосковые антенны (Patch Antennas), еще один тип направленных антенн, формируются из двух параллельных проводников с подложкой между ними (см. рис. 58).

Рисунок 57. Всенаправленные антенны, применяемые в беспроводных

Верхний проводник представляет собой излучатель, который может быть вытравлен на печатной плате. Можно относительно просто сформировать решетку, состоящую из излучателей, диаграммы направленности которых комбинируются с целью получения лепестков различной формы. Микрополосковые антенны часто оказываются полезными, поскольку они имеют плоскую форму, в отличие от антенн Уда-Яги.

Рисунок 58. Всенаправленные антенны, применяемые в беспроводных: а - антенна типа Удо-Яги, б - микрополосковая антенна,

в - параболическая антенна

3.5.3 Основные характеристики приемника

Радиоприемники характеризуются прежде всего их чувствительностью, которая определяется как минимальный уровень сигнала, при котором приемник способен удовлетворительно декодировать информацию. Порог приемлемости определяется частотой появления ошибочных битов (Bit Error Rate, BER), частотой появления ошибочных пакетов (Packet Error Rate, PER) или частотой появления ошибочных кадров (Frame Error Rate, FER).

Чувствительность приемника указывается для конкретной скорости передачи, поскольку каждая схема модуляции имеет свои требования к отношению сигнал/шум (SNR). В общем случае, чем выше скорость передачи данных, тем больше должно быть отношение сигнал/шум и, следовательно, тем выше чувствительность приемника. Чувствительность приемника радиостанции зависит также от характера шума приемника. Все приемники имеют некоторый базовый, изначальный уровень шума, определяемый или точностью цифровой обработки, или свойствами аналоговых компонентов. Это - уровень собственных шумов приемника. При возрастании собственного шума приемника растет (ухудшается) и чувствительность приемника, потому что минимально допустимое превышение шума сигналом, SNR, - величина фиксированная для каждой схемы модуляции.

.5.4 Минимальные характеристики радиостанции стандарта

.11b

Стандарт 802.11b для PHY-уровня определяет минимальный уровень характеристик радиостанции, которому должно удовлетворять для обеспечения совместимости любое оборудование. Для FER менее 0,08, согласно процедуре определения соответствия требуемым параметрам физического уровня, при длине служебного элемента данных (PSDU) 1024 октета и скорости передачи данных 11 Мбит/с минимальная чувствительность приемника должна составлять -76 dBm на соединителе антенны, а подавление помех от соседнего канала другого передатчика стандарта 802.11b должно быть 35 дБ на соединителе антенны.

.5.5 Минимальные характеристики радиостанции стандарта

.11a

Аналогично стандарту 802.11b, стандарт 802.11а также определяет минимально допустимые параметры радиостанции. В таблице 10 приведены минимальная чувствительность приемника, степень подавления помех от соседнего канала и степень подавления перекрестных помех от соседнего канала (Alternate Adjacent Channel Rejection) на соединителе антенны для скоростей передачи данных стандарта 802.11а при PER менее 10% и длине PSDU 1000 байт.

Таблица 10. Минимально допустимые характеристики радиостанции

стандарта 802.11а

Скорость передачи данных (Мбит/с)	Минимальная чувствительность (dBm)	Подавление помех от соседнего канала (дБ)	Подавление перекрестных помех от соседнего канала (дБ)
6	-82	16	32
9	-81	15	31
12	-79	13	29
18	-77	11	27
24	-74	8	24
36	-70	4	20
48	-66	0	16
54	-65	-1	15

Основные характеристики радиостанции важные для развертывания и использования это зона уверенного приема и пропускная способность. Они напрямую связаны с радиусом действия и скоростью передачи данных. Обычно WLAN развертываются в помещениях, и прохождению сигнала мешают стены, столы, люди и другие объекты, все они уменьшают уровень сигнала и увеличивают потери. И единственный способ точно определить потери на трассе в конкретных условиях эксплуатации - это провести картирование места развертывания сети. [9]

3.6 Развертывание локальных беспроводных сетей

При принятии решений относительно развертывания беспроводных LAN (WLAN) необходимо учитывать особенности работы протокола 802.11, поведение мобильных узлов, вопросы защиты МАС-уровня, качество связи (QoS). Физический аспект выполнения картирования места работ дает возможность понять, какую зону покрытия имеет каждая точка доступа, каково количество точек доступа, необходимое для покрытия заданной области, и установить параметры каждого канала и излучаемую мощность.

На развертывание WLAN используемые приложения оказывают влияние по-разному. Ключевыми моментами являются:

·    Расчетная производительность в пересчете на одного клиента;

·        Потоковые и пульсирующие типы приложений;

·        Конкуренция за среду передачи и задержка выполнения приложений.

Расчетная производительность каждого клиента уменьшается с вводом в базовую зону обслуживания (BSS) каждого нового клиента. Поскольку ни один пользователь не занимает гарантированно определенную часть полосы пропускания, механизм доступа к среде, основанный на использовании распределенной функции координации (DCF), обеспечивает удовлетворительный доступ к беспроводной среде; это означает, что каждый клиент имеет одинаковые права доступа к беспроводной среде (и ее части). В локальных сетях, где применяется технология Ethernet на 10 или 100 Мбит/с, совместное использование канала, обеспечивающего скорость передачи данных 11 Мбит/с или даже 54 Мбит/с (стандарт 802.l1b и 802.11а/g соответственно) одновременно 10 или 25 клиентами нецелесообразно.

Задавая для сетей стандарта 802.11b скорость передачи 11 Мбит/с и обеспечивая совместный доступ к полудуплексной среде, разумно ожидать реальной производительности не более 6 Мбит/с.

Полная доступная производительность для каждого из 25 клиентов составит приблизительно 245 Кбит/с. Принимая те же самые соотношения для BSS стандарта 802.11а со скоростью передачи данных 54 Мбит/с и реальной производительностью 22 Мбит/с, получим среднюю скорость передачи данных примерно 880 Кбит/с на одного клиента. Эти числа сугубо оценочные и получены в предположении, что все клиенты передают и принимают одинаковые объемы данных.

Приложения пульсирующего типа отличаются непостоянством и непредсказуемостью, из-за чего вычисления необходимой плотности размещения точек доступа представляются очень трудной задачей. Хотя не существует общепринятого эвристического правила для оценки будущего трафика клиента, использующего Интернет, получающего электронные письма или работающего с приложениями типа клиент/сервер, пределом считается 25 пользователей на одну точку доступа.

Конкуренция за среду по стандарту 802.11 аналогична конкуренции за среду по стандарту 802.3, относящемуся к полудуплексным проводным сетям. Все станции имеют одинаковые права доступа к среде, и чем больше станций, тем выше шансы на возникновение коллизий кадров, возврат в исходное состояние и повторную передачу.

Логическим результатом конкуренции является возникновение задержек в BSS. Станции тратят больше времени на получение доступа к среде, чем на передачу и получение кадров. Этот процесс приводит к возникновению таймаутов протокола более высокого уровня и потенциально может привести к прерыванию сеанса связи выполняемого приложения.

Поскольку подобные сценарии вполне вероятны, разумно выбирать высокую плотность размещения, чтобы избежать или уменьшить вероятность возникновения таких ситуаций. С переуплотнением точек доступа при развертывании сети ассоциируется высокая стоимость, но, учитывая дешевизну точек доступа и большое влияние их числа на производительность, имеет смысл сразу же корректно развернуть WLAN, а не выполнять повторно картирование места работ и расширять существующую сеть.

.6.1 Планирование развертывания WLAN

Существуют две основные методологии развертывания WLAN:

·    Ориентированная на максимальную зону обслуживания;

·        Ориентированная на максимальную пропускную способность.

Беспроводные LAN с максимальной зоной обслуживания

Ориентированные на зону обслуживания WLAN разрабатываются с упором на обеспечение максимального покрытия при минимально возможном количестве точек доступа. В типичной ориентированной на зону обслуживания сети обеспечивается соотношение количества пользователей к числу точек доступа 25:1. Некоторые типовые особенности WLAN, развертываемых в расчете на максимальную зону обслуживания, таковы:

·  В них применяются приложения пульсирующего типа с низкой скоростью передачи пакетов, такие как приложения, формирующие запросы к базам данных;

·        Предъявляются низкие требования к полосе пропускания, благодаря чему скорость передачи данных может быть уменьшена до наименьших значений, таких как 1 и 2 Мбит/с;

·        Обеспечивается легкость сопровождения, поскольку персонал обслуживания WLAN невелик.

В сетях, ориентированных на зону обслуживания, типичные приложения имеют низкую скорость передачи пакетов и предъявляют низкие требования к полосе пропускания. Такой подход позволяет сразу многим пользователям обращаться к услугам WLAN при сохранении последними адекватных характеристик. Такие варианты обычны для небольших или средних филиалов фирм, когда WLAN выбирается в качестве альтернативы проводной Ethernet. Простые в развертывании WLAN обеспечивают основные соединения в локальной сети, необходимые для совместного использования файлов и принтеров. Каждая точка доступа WLAN обслуживает примерно 25-30 пользователей.

Беспроводные LAN с максимальной пропускной способностью

Беспроводные LAN, ориентированные на высокую пропускную способность, должны обеспечивать максимальную производительность и скорость передачи пакетов для каждого клиента BSS. Размеры сот ориентированной на пропускную способность WLAN меньше, чем таковые для WLAN, назначение которой - обеспечить максимальную зону обслуживания, соответственно плотность размещения точек доступа выше. Ориентированные на высокую пропускную способность WLAN необходимы в случаях, когда:

·  используются приложения, требующие высокой скорости передачи пакетов;

·        используются приложения, чувствительные к задержкам;

·        развертываются подсети меньших масштабов (или несколько подсетей в одной зоне обслуживания);

·        наблюдается высокая плотность размещения пользователей.

В таких сетях количество точек доступа в несколько раз превышает число таковых для WLAN, ориентированной на зону обслуживания.

Зона обслуживания каждой точки доступа намного меньше, чем при построении сети ориентированной на максимальную зону обслуживания. Каждая точка доступа обслуживает около 12 пользователей, а не 25-30 как в предыдущем случае.

.6.2 Картирование места развертывания сети

Все, что необходимо знать, - это число, расположение и необходимую конфигурацию точек доступа в зданиях (на местности). Чтобы получить эту информацию, нужно вначале определить, какой будет развертываемая сеть - ориентированной на максимальную зону обслуживания, высокую пропускную способность или гибридной, переходной, когда необходимо учитывать оба аспекта. Физический аспект картирования места развертывания дает представление о том, какую область покрывает каждая точка доступа, каково количество точек доступа, необходимых для обслуживания всей заданной области, какие каналы и передатчики какой мощности следует использовать, и какого типа или с каким коэффициентом усиления должны быть антенны. При рассмотрении варианта развертывания, ориентированного на достижение максимальной пропускной способности, следует начать с требуемой производительности и скорости перенаправления в пересчете на одного пользователя, а также выяснить плотность размещения пользователей, чтобы определить отношение число пользователей/число точек доступа.

.6.3 Проблемы, возникающие при картировании места работ

Например, если не известна инфраструктура помещения, то возможно, что точки доступа размещены на расстояниях, для покрытия которых недостаточно кабеля категории 5 сети 100BASE-T длиной 100 м.

Важно не только учитывать размеры помещений, но также то, и условия распространения радиоволн, которые могут измениться со временем. Следует обратить внимание на объекты, которые отражают микроволны и вызывают многолучевое распространение, или на объекты, которые могут поглощать радиоволны, мешая их распространению в принципе.

Беспроводные телефоны, не соответствующие стандарту 802.11, - наиболее часто встречающийся источник помех для WLAN. Эти телефоны часто имеют конструкцию, позволяющую им работать или в диапазонах 2,4 ГГц, или 5,8 ГГц ISM, применяя либо технологию скачкообразной перестройки частоты, либо технологию прямой последовательности расширения спектра. Степень ухудшения связи зависит от числа и типов используемых телефонов. Если используется только один телефон, то наилучшим вариантом будет размещение базовой станции подальше от точек доступа или мест, где предполагается высокая активность пользователей. В случае большого числа телефонов общий уровень шума может вырасти, из-за чего условия передачи для WLAN ухудшатся. Наилучшим выходом будет или использование системы телефонной связи, не мешающей функционированию сетей стандарта 802.11, или использование для ваших телефонных сетей и сетей передачи данных разных частотных диапазонов.

Окружающая среда сама по себе может создать проблемы, если оборудованию придется работать при экстремальных температурах, высокой или низкой влажности или в сырости. Если создаются зоны покрытия вне помещений и нежелательно тянуть длинный радиочастотный кабель от расположенной внутри помещения точки доступа к месту расположения внешней антенны, можно расположить точку доступа в правильно выбранном стандартном корпусе NEMA (Национальная ассоциация электротехнической промышленности), чтобы предохранить ее от воздействия дождя и прочих погодных условий. Если все же используется антенный кабель, следует минимизировать его длину и не забывать о потерях, которые он вносит для сигнала на рабочей частоте. [3]

3.7 Беспроводное оборудование, применяемое при построенииFi сетей

Сегодня беспроводные сети позволяют предоставить подключение пользователей там, где затруднено кабельное подключение или необходима полная мобильность. При этом беспроводные сети без проблем взаимодействуют с проводными сетями.

При этом при построении беспроводных сетей используется самое разнообразное оборудование, выполненное в различных форм-факторах.

3.7.1 Точки доступа Wi-Fi

Все точки доступа можно разделить по способу подключения: через USB порт и порт подключения Ethernet - RJ45.

Последние пользуются наибольшим успехом, так как наиболее просты в настройке и управлении, а также обладают большей скоростью передачи в локальную сеть. Точки доступа могут быть комнатного (in door) и всепогодного (out door) исполнения.

Для создания беспроводной сети внутри помещений используют комнатный вариант прибора. Он обладает меньшей стоимостью и, как правило, большим эстетическим видом. Работают такие точки доступа в пределах одной или нескольких комнат. На открытых участках местности (прямая видимость) возможна работа на расстоянии до 300 метров с использованием стандартных всенаправленных антенн.

Точки доступа всепогодного исполнения предназначены для создания радиосети между зданиями. В зависимости от типов антенн такие устройства способны организовывать каналы связи на расстоянии порядка 3-5 км. Максимальная дальность беспроводного канала связи заметно увеличивается при использовании усилителей. В этом случае длина радиоканала достигает 8-10 км. Внешний вид устройств типа точка доступа представлен на рис. 59.

.7.2 Комбинированные устройства

Большой интерес вызывают беспроводные точки доступа, объединяющие в себе функции других устройств, например, высокоскоростного беспроводного широкополосного маршрутизатора со встроенным коммутатором Fast Ethernet. Маршрутизатор позволяет быстро и легко настроить общий доступ к Интернет для проводной или беспроводной сети или организовать совместное использование широкополосного канала связи и кабельного/DSL модема дома или в офисе.

.7.3 Wi-Fi адаптеры

Для подключения к беспроводной сети Wi-Fi достаточно обладать ноутбуком или карманным персональным компьютером (КПК) с подключенным Wi-Fi адаптером.

Любой беспроводной Wi-Fi адаптер должен соответствовать нескольким требованиям:

·   необходима совместимость со стандартами 802.11а, 802.11b или 802.11 g;

·        работа в диапазоне частот 2,4 ГГц - 2,435 ГГц (или 5 ГГц);

·        поддерживать протоколы WEP и желательно WPA;

·        поддерживать два типа соединения "точка-точка", и "компьютер сервер";

·        поддерживать функцию роуминга.

Существует три основных разновидности Wi-Fi адаптеров, различаемых по типу подключения:

·   Подключаемые к USB порту компьютера. Такие адаптеры компактны, их легко настраивать, а USB интерфейс обеспечивает функцию "горячего подключения";

·        Подключаемые через PCMCIA слот (CardBus) компьютера. Такие устройства располагаются внутри компьютера (ноутбука) и поддерживают любые стандарты, позволяющие передавать информацию со скоростью до 108 Мбит/с;

·        Устройства, интегрированные непосредственно в материнскую плату компьютера. Самый перспективный вариант. Такие адаптеры устанавливаются на ноутбуки серии Intel Centrino. И, в настоящее время используются на подавляющем большинстве мобильных компьютеров.

Все виды беспроводных адаптеров представлены на рис. 60. [11]

Рисунок 60. Беспроводные адаптеры: а - с USB портом, б - формата

PCMCIA, в - строенный в материнскую плату

.7.4 Нестандартные устройства

Такие устройства не соответствуют стандарту 802.11. Они используют технологию 802.11 способами, которые приводят к нарушению стандарта или его расширению, но могут оказаться полезными при построении сети. К специфическим устройствам, которые рассматриваются ниже, относятся следующие:

·    Точки доступа-повторители

·        Универсальные клиенты (мосты рабочих групп)

·        Беспроводные мосты

.7.5 Точки доступа-повторители

Может случиться так, что окажется неудобно или непросто соединить точку доступа с проводной инфраструктурой, или какое-либо препятствие затруднит осуществление связи точки доступа к проводной сети с местом расположения беспроводных станций-клиентов напрямую. В такой ситуации можно использовать точку доступа-повторитель.

Почти аналогично проводному повторителю его это устройство просто ретранслирует все пакеты, поступившие на его беспроводной интерфейс. Эта ретрансляция осуществляется через тот же канал, через который пакеты были получены. Точка доступа-повторитель расширяет BSS, а также домен коллизий, поэтому хотя она может оказаться эффективным средством, применять ее следует с осторожностью.

.7.6 Универсальные клиенты и мосты рабочих групп

При переходе от проводной архитектуры к беспроводной могут обнаружиться сетевые устройства поддерживающие проводную Ethernet или последовательный интерфейс, но не имеющие интерфейсных разъемов для беспроводных NIC. Если эти устройства необходимы в беспроводной сети, можно использовать универсальный клиент или мост рабочей группы (см. рис. 61). Примерами устройств, относящихся к этой категории, могут служить кассовые терминалы магазинов, принтеры, устаревшие ПК, копировальные устройства и небольшие мобильные сети. Универсальный клиент или мост рабочей группы инкапсулирует полученные им пакеты проводной сети в пакеты беспроводной и таким образом предоставляет для точки доступа интерфейс стандарта 802.11. Термин универсальный клиент наиболее часто используется, когда речь идет о подключении одного проводного устройства; термин мост рабочей группы используется, если подключается небольшая сеть, состоящая из нескольких устройств.

Рисунок 61. Применение универсального клиента и моста рабочей

группы

3.7.7 Беспроводные мосты

Если расширить концепцию моста рабочей группы до точки, в которой соединяются две или несколько проводных сетей, можно прийти к концепции беспроводных мостов. Аналогично проводным мостам, беспроводные соединяют между собой сети. Можно соединять их без проводов, потому что соединяемые сети изначально мобильны. Сети, которые должны быть соединены, могут быть размещены на одной территории, в этом случае применение беспроводных мостов дает способ соединения таких сетей. Основное отличие между мостами и мостами рабочей группы состоит в том, что последние обеспечивают беспроводной доступ только к небольшой рабочей группе типа офиса, в то время как первые из названных способны соединять большие сети, разнесенные на расстояния, намного большие, чем характерные для локальных беспроводных сетей. На самом деле многие поставщики предлагают продукты, работоспособные на расстояниях, значительно превышающих оговоренные в стандарте 802.11. На рис. 62 приведен пример использования беспроводных мостов. [3]

Рисунок 62. Пример использования беспроводных мостов

3.8 Мобильность сети и пользователей

Мобильность - это свойство сети, позволяющее быстро перемещать ее саму и перемещаться ее пользователям с места на место. Устройства WLAN стандарта 802.11 обеспечивают такую "свободу от проводов". Мобильность описывается многими терминами, но в основном использоваться только два, мобильность и роуминг, для описания процесса перемещения пользователя от одной точки доступа к другой.

.8.1 Характеристики роуминга

Определить или охарактеризовать станции, осуществляющие роуминг, можно двумя способами:

·    Бесшовный роуминг (seamless roaming);

·        Кочевой роуминг (nomadic roaming).

При бесшовном роуминге во время перехода из зоны действия одной точки доступа в зону действия другой не происходит ухудшения качества связи. Не существует заметного промежутка времени, когда из-за роуминга сеть была бы недоступна. Роуминг такого типа называется бесшовным, потому что сетевое приложение требует постоянного подключения к сети в процессе роуминга.

Кочевой роуминг отличается от бесшовного. Кочевой роуминг работает при использовании ноутбука стандарта 802.11 в офисе. Клиент стандарта 802.11 перемещается от точки доступа, ближайшей к его рабочему месту, к точке доступа, размещенной поблизости от, например, конференц-зала. Роуминг такого типа называется кочевым, поскольку пользователь использует службы сети не во время передвижения, а только по его завершении.

.8.2 Механизм роуминга стандарта 802.11

Станция должна завершить сеанс своего обслуживания одной точкой доступа, прежде чем создавать ассоциацию с новой. Такой процесс поскольку он оставляет возможность потери данных в ходе роуминга, но благодаря этому упрощаются МАС-протокол и радиотракт.

Метод работы приложения непосредственно связан с его способностью к восстановлению функций в процессе роуминга. Требующие установления соединения приложения, например основанные на использовании протокола TCP, более толерантны к утере пакетов, происходящей во время роуминга, потому что TCP - надежный и требующий установления соединения протокол. TCP требует положительных подтверждений, точно так же как и уровень MAC стандарта 802.11. Это требование позволяет повторно передать любые данные стандарта 802.11, утерянные во время роуминга, посредством TCP - протокола более высокого уровня.

Хотя TCP обеспечивает хорошее решение для приложений, выполняемых в беспроводных LAN стандарта 802.11, некоторые приложения ориентируются на использование пользовательского протокола данных (User Data Protocol, UDP) в качестве транспортного протокола уровня 4. Протокол UDP является малоизбыточным и не требует установления соединения. Пакеты UDP используют такие приложения, как IP-телефония (Voice over IP, VoIP) и приложения, обеспечивающие передачу видеоизображений. Поэтому, роуминг с потерей данных может оказать заметное влияние на работу основанных на протоколе UDP приложений.

О точках доступа, относящихся к одному широковещательному домену и сконфигурированных так, что они имеют одинаковый идентификатор зоны обслуживания (SSID), говорят, что они относятся к одному домену роуминга. Расширенная зона обслуживания (ESS) обычно рассматривалась как несколько базовых зон обслуживания (BSS), связывающихся между собой через службу распределения (проводную/беспроводную сеть). Следовательно, доменом роуминга можно назвать ESS.

На рис. 63 показан домен роуминга уровня 2. Перемещающийся пользователь может поддерживать приложение в состоянии подключения, пока находится в пределах домена роуминга и пока поддерживается (не изменяется) сетевой адрес уровня 3.

На рис. 64 показано, как осуществляется роуминг между доменами роуминга. Перемещающийся пользователь переходит от точки доступа подсети А к точке доступа подсети В. Поскольку адрес уровня 3 изменяется, станция прекращает все сеансы связи приложений.

Механизм определения момента времени, когда необходимо начать процесс роуминга, не определен в спецификации стандарта 802.11 и, таким образом, оставлен на усмотрение поставщиков оборудования. В этих алгоритмах учитываются такие параметры, как уровень сигнала, значения счетчиков числа попыток, посланные сигнальные фреймы и другие концепции и разработки производителей.

При перемещении пользователя существуют два механизма определения новой точки доступа.

Рисунок 63. Домен роуминга уровня 2

Рисунок 64. Роуминг между доменами роуминга

·   Предварительное обнаружение точки доступа

·   Обнаружение точки доступа во время перемещения

Каждый из этих механизмов может в свою очередь использовать один или оба из следующих механизмов:

·    Активное сканирование. Клиент активно ищет точку доступа. Этот процесс обычно включает отправку клиентом зондирующих запросов по каждому из сконфигурированных на нем каналов и ожидание ответов от точек доступа на зондирующие запросы. Затем клиент определяет, какая из точек доступа лучше всего подходит для роуминга;

·        Пассивное сканирование. Клиент не передает ни одного фрейма, а просто прослушивает сигнальные фреймы, передаваемые по каждому из каналов. Клиент продолжает переходить с канала на канал через определенные интервалы времени, как при активном сканировании, но при этом не посылает зондирующие запросы.

Активное сканирование считается наиболее совершенным механизмом поиска точки доступа, потому что при его использовании активно рассылаются зондирующие запросы стандарта 802.11 по всем каналам.

Пассивное сканирование имеет преимущество, поскольку не требует от клиента передачи зондирующих запросов, но существует вероятность того, что нужная точка доступа будет пропущена, так как клиент не получил ее сигнальный фрейм в отпущенный для этого промежуток времени. Преимущество активного сканирования состоит в том, что клиент активно ищет точки доступа, с которыми может ассоциироваться, но при этом он должен передавать зондирующие фреймы. В зависимости от особенностей применения клиента стандарта 802.11 один из механизмов может подходить больше, чем другой.

.8.3 Предварительное обнаружение точки доступа

Предварительный роуминг - это функция, которая наделяет клиента способностью переходить к обслуживанию предварительно определенной точкой доступа после того, как клиент примет решение перемещаться. Этот процесс требует минимального общего времени роуминга, благодаря чему снижается воздействие роуминга на работу приложений. Однако предварительный роуминг не свободен от недостатков.

Для того чтобы клиент мог определить, к какой точке доступа нужно осуществлять роуминг, он должен сканировать точки доступа в течение периода нормальной работы (без роуминга). Когда клиент осуществляет сканирование, он должен переходить с канала на канал, чтобы или прослушивать другие точки доступа, или рассылать зондирующие запросы. Такое изменение может потенциально привести к возникновению нескольких проблем для клиента, которые могут повлиять на работу приложений (см. рис. 63).

·    Клиент не может получать данные от точки доступа, с которой он в данное время ассоциирован, пока он сканирует каналы (активно или пассивно). Если точка доступа посылает данные клиенту в то время, когда он сканирует каналы (предполагается, что клиент работает на другом канале, нежели точка доступа), клиент пропустит эти данные и потребуется повторная передач их точкой доступа;

·        Приложение клиента может испытать воздействие снижения пропускной способности. Клиент не может передавать данные во время сканирования каналов (активного либо пассивного), поэтому некоторые приложения, выполняемые клиентом, могут ощутить снижение пропускной способности;

·        Работа механизма предварительного обнаружения точки доступа может быть нарушена быстро перемещающимся клиентом. Клиент может двигаться с такой скоростью, что предварительно выбранная точка доступа перестанет быть наиболее предпочтительной с точки зрения роуминга, что приведет к повышению частоты принятия решений относительно роуминга и снижению пропускной способности для приложений.

3.9 Обнаружение точки доступа во время перемещения

Обнаружение точки доступа во время перемещения не приводит к повышению накладных расходов, характерному для предварительного обнаружения точки доступа (в то время, когда роуминг не осуществляется), потому что клиент не знает, с какой точкой доступа он должен реассоциироваться, но зато больше времени тратится на сам процесс роуминга.

.9.1 Процесс роуминга уровня 2

Роуминг включает больше процессов, чем необходимо для поиска точки доступа, с которой можно связаться.

1.   Предыдущая точка доступа должна определить, что клиент уходит из ее области действия

2.       Предыдущая точка доступа должна буферизировать данные, предназначенные для клиента, осуществляющего роуминг уровня 2

.        Новая точка доступа должна известить предыдущую, что клиент успешно переместился в ее зону. Этот этап обычно выполняется с помощью одно- или многоадресатных пакетов, передаваемых старой точкой доступа для новой и содержащих МАС-адрес источника, указывающий МАС-адрес перемещающегося клиента

.        Предыдущая точка доступа должна послать буферизированные данные новой точке доступа

.        Предыдущая точка доступа должна определить, что клиент покинул ее зону действия

.        Точка доступа должна обновить таблицы МАС-адресов на коммутаторах инфраструктуры, чтобы избежать потери данных перемещающегося клиента

3.9.2 Роуминг между доменами роуминга

Домен роуминга определяется как совокупность точек доступа, которые относятся к одному и тому же широковещательному домену и сконфигурированы с одним и тем же SSID.

Другими словами, клиент может осуществлять роуминг только между точками доступа одной и той же виртуальной локальной сети (VLAN), имеющими один и тот же SSID. Если беспроводная LAN используется в масштабах организации, может возникнуть необходимость в доменах роуминга, распространяющихся за пределы одного уровня 2 виртуальной локальной сети.

Т.о. когда пользователи перемещаются между подсетями со своими беспроводными устройствами, они теряют возможность связываться друг с другом. Сеанс связи прерывается, потому что перемещающийся пользователь попадает в другую подсеть.

Многие приложения требуют устойчивых соединений и прерывают свои сеансы связи при роуминге между VLAN. Чтобы обеспечить устойчивость сеансов связи, необходим механизм, который позволил бы станции поддерживать один и тот же адрес уровня 3 при роуминге в пределах сети, состоящей из нескольких VLAN. Такой механизм обеспечивает мобильный протокол IP, который представляет собой решение для роуминга уровня 3 в беспроводных LAN, основанное на стандартах, обеспечивающее взаимодействие устройств различных поставщиков.

Сеть, способная поддерживать мобильный IP, должна иметь следующие основные компоненты:

·    Мобильный узел (Mobile Node, MN). Представляет собой станцию, осуществляющую роуминг;

·        Внутренний агент (Home Agent, НА). Внутренний агент размещается на маршрутизаторах или коммутаторах уровня 3 и следит за тем, чтобы перемещающиеся MN получали свои IP-пакеты;

·        Внешний агент (Foreign Agent, FA). Внешний агент размещается на маршрутизаторах или коммутаторах уровня 3, его задача - известить внутреннего агента (НА) о новом местонахождении MN и затем принимать пакеты от НА, предназначенные для MN;

·        Адрес для передачи (Cаге-of Address, CoA). Это временный адрес, выделенный FA для MN, на который поступают пакеты, посланные НА и предназначенные для MN;

·        Сопряженный адрес для передачи (Co-located Care-of Address, CCoA). Временный адрес, присвоенный самому MN.

Роуминг в сети, поддерживающей мобильный IP, включает следующие этапы:

1.  Считается, что станция находится в своей домашней подсети, если IP-адрес станции принадлежит сети НА

2.       Если MN перемещается во внешнюю подсеть, MN обнаруживает присутствие FA и регистрируется на FA или сам получает временный адрес (ССоА)

.        FA или MN ССоА связывается с НА и создает туннель между НА и СоА для MN

.        Пакеты, предназначенные для MN, посылаются НА (с использованием обычной IP-маршрутизации), как показано на рис. 65

.        НА перенаправляет пакеты через туннель мобильному агенту

.        Все пакеты, которые передает MN, отправляются через FA так, как если бы MN был локализован в его подсети

Итак, три основные фазы работы мобильного IP таковы:

·   Обнаружение агента;

·        Регистрация;

·        Туннелирование.

Рисунок 65. Передача пакетов перемещающемуся MN и от

перемещающегося MN

.9.3 Обнаружение агента

Перемещающийся MN должен своевременно обнаружить, что он находится во внешней сети, чтобы минимизировать задержку в выполнении приложений. Внутренние и внешние агенты оповещают о своих сервисах, используя сообщения протокола межсетевых управляющих сообщений (Internet Control Message Protocol, ICMP) и протокола обнаружения маршрутизатора (Router Discovery Protocol; вместе эти протоколы называются IRDP) для отправки агенту извещений. Когда MN устанавливает соединение с сетью, в зону действия которой он перемещается, он получает периодически рассылаемые IRDP-пакеты. В дополнение к периодически рассылаемым извещениям агента MN может запросить извещения после того как обнаружит, что его адрес изменился.

Извещение агента содержит два поля, которые позволяют MN определить, переместился ли он в зону действия другой подсети:

·    Поле времени жизни (Lifetime Field);

·        Расширение длины префикса (Prefix-Length Extension).

Поле времени жизни указывает значение времени, в течение которого имеет силу извещение агента. Если, прежде чем время жизни достигнет нуля, ни одно новое извещение не было получено, MN должен повторить процедуру обнаружения нового агента.

Расширение длины префикса указывает на значение адреса сети посылающего извещения агента. Изменение длины префикса (указывающее на изменение адреса сети или подсети) означает для MN, что ему нужно повторить процедуру обнаружения нового агента.

Определяя, что он находится во внешней сети, MN выбирает сведения о СоА из извещения агента. СоА может иметь две формы:

·    Адрес внешнего агента;

·        Сопряженный адрес для передачи. ССоА не содержится в извещении FA, он обычно приобретается мобильным агентом через протокол динамической конфигурации хоста (DHCP).

СоА, указывающий на FA, вынуждает FA (обычно это маршрутизатор подсети) поддерживать управление мобильным IP для всех внешних MN подсети в дополнение к обязанностям, связанным с перенаправлением пакетов. Преимущество этой ситуации состоит в том, что внутреннему агенту приходится создавать только один туннель от НА к каждому уникальному FA.

СоА, временно назначенный мобильному агенту, перекладывает административные обязанности мобильного IP на MN и вынуждает НА создавать уникальный туннель для каждого перемещающегося MN.

.9.4 Регистрация MN

После того как MN получает СоА и устанавливает локального агента мобильности (НА или FA), начинается процесс регистрации. В процессе регистрации создается надежное мобильное соединение между FA и НА, чтобы облегчить перенаправление пакетов мобильному узлу. Процесс регистрации осуществляется следующим образом (см. рис. 66).

1.   Мобильный узел (MN) посылает запрос на регистрацию внешнему агенту. Если MN имеет ССоА, этот этап пропускается

2.       Внешний агент (FA) обрабатывает запрос на регистрацию и перенаправляет его внутреннему агенту (HA)

.        Внутренний агент принимает или отклоняет регистрацию и посылает ответ на регистрацию внешнему агенту

.        Внешний агент обрабатывает ответ на регистрацию и посылает его MN

Стандарт мобильного IP требует какого-то использующего ключи и основанного на сообщениях механизма аутентификации (Keyed Message-Authentication Mechanism), защищающего сообщения регистрации, передаваемые между MN и НА и опционально позволяющего также защищать сообщения, передаваемые между MN и FA. По умолчанию доступны хэшированные коды сообщений аутентификации (Hashed Message Authentication Codes) и профиль сообщения (Message Digest) версии 5 (HMAC-MD5). НА должен использовать секретное значение совместно с MN, или статически сконфигурированное, или хранящееся централизованно на сервере аутентификации, авторизации и учета (ААА).

Рисунок 66. Процесс регистрации в соответствии с мобильным IP

.9.5 Туннелирование

Туннелирование позволяет двум неравноправным сетям напрямую соединяться между собой, хотя обычно они этого сделать не могут или физически разъединены. Такая возможность очень важна для мобильного IP, потому что именно благодаря туннелированию НА может пренебречь обычными правилами маршрутизации и перенаправить пакеты MN.

Для образования туннеля необходимы две конечные точки: входная и выходная. Входная точка инкапсулирует туннелируемые пакеты, снабжая их другим IP-заголовком. Новый IP-заголовок может включать некоторые другие параметры, но основная функция заголовка инкапсуляции состоит в направлении пакета конечной точке туннеля. Пакет, полученный конечной точкой туннеля, освобождается от заголовка инкапсуляции и перенаправляется MN.

Единственным типом туннелирования, регламентированным спецификацией мобильного IP является инкапсуляция IP в IP.

На рис. 67 показан процесс туннелирования пакетов. [3]

Рисунок 67. Инкапсуляция IP-пакетов

Глава 4. Архитектура интегрированной сети доступа на базе

технологий Ethernet и Wi-Fi

4.1 Беспроводное оборудование, применяемое при построенииFi сетей

Локальные беспроводные сети все больше и больше приобретают популярность среди пользователей. В течение нескольких лет они проходили процесс стандартизации, повышалась скорость передачи данных, цена становилась доступнее. Сегодня беспроводные сети позволяют предоставить подключение пользователей там, где затруднено кабельное подключение или необходима полная мобильность. При этом беспроводные сети без проблем взаимодействуют с проводными сетями.

Основные достоинства беспроводных сетей:

·    беспроводные сети совместимы с локальными кабельными сетями и полностью соответствуют стандартам проводных сетей Ethernet. Поэтому пользователю не потребуется изучать какое либо оборудование или специализированное программное обеспечение;

·        соединение посредством радиоканала позволяет перемещаться пользователю в пределах зоны покрытия беспроводной сети Wi-Fi; не требует прокладки кабеля. При разворачивании обычных локальных проводных сетей требуется прокладка кабеля. Кабель встраивается в стену либо кладется в короб, также может прокладываться по подвесным потолкам. Бывает, что прокладка кабеля нежелательна или вообще невозможна;

·        такие сети предоставляет возможность беспроводной связи нескольких офисов, находящихся в разных зданиях в единую локальную сеть, так как соединение этих же офисов кабельными соединениями может быть либо дорогостоящим мероприятием, либо в принципе невозможным;

·        построение беспроводной сети Wi-Fi производится быстрее, чем кабельной сети;

·        сохранение инвестиций вложенных в локальную беспроводную сеть при смене офиса; гибкость - быстрая реструктуризация, изменение конфигурации и размеров сети.

При этом при построении беспроводных сетей используется самое разнообразное оборудование, выполненное в различных форм-факторах. На сегодняшний день на рынке беспроводного оборудования представлено множество фирм-производителей.

Среди них можно выделить несколько наиболее крупных и значимых на рынке. Это фирмы Cisco, D-Link, Linksys и TRENDnet. [11]

4.2 Характеристики оборудования для построения сети

	Оборудование Cisco Aironet (Cisco Systems)
	Точка доступа Cisco Aironet серии 1130AG с поддержкой IEEE 802.11a/g

Сочетание высокого уровня пропускной способности и безопасности с функциональностью корпоративного класса позволяет строить инфраструктуру доступа к беспроводной сети с невысокой стоимостью. Эта эргономичная точка доступа снабжена встроенными антеннами и двойным радиомодулем, поддерживающим стандарты IEEE 802.11a/g. Это позволяет гарантировать уверенное, предсказуемое качество приема в зоне покрытия и обеспечить совокупную пропускную способность до 108 Мбит/с.

Остальные параметры Cisco Aironet серии 1130AG:

·  Встроенные разнесенные всенаправленные антенны, работающие в диапазонах 2.4 и 5 ГГц

·        Низкопрофильный пластмассовый корпус

·        Объем памяти 32 Мбайт, из которых 16 Мбайт отведено под хранилище

·        Диапазон рабочих температур - от 32 до 104°F (от 0 до 40°C)

·        Поддержка inline-питания (Power Over Ethernet - действующий стандарт 802.3af)

·        Наличие консольного порта для управления

·        Поддержка Cisco Self-Defending Network, NAC, WPA и 802.11i/WPA2

·        Встроенная система монтажа с повышенной степенью защиты

·        Поддержка стандарта UL2043 для размещения в зонах повышенного давления

 

Наружная точка доступа/мост Cisco Aironet серии 1300 с поддержкой IEEE 802.11g

Реализует функции точки доступа, беспроводного моста и моста рабочей группы, обеспечивая при этом надежную защиту сети WLAN. Благодаря поддержке высокоскоростных беспроводных соединений между различными стационарными и мобильными сетевыми устройствами и клиентами это устройство, обладающее повышенной степенью защищенности, идеально подходит для подключения пользователей, организации публичного доступа для мобильных пользователей, находящихся вне зданий, и построения наружной беспроводной инфраструктуры, обслуживающей мобильные сетевые устройства и мобильных пользователей. Специально разработанные для работы в суровых уличных условиях, точки доступа Cisco Aironet серии 1300 идеально подходят для сетей WLAN, предусматривающих организацию зоны покрытия вне зданий.

Остальные параметры Cisco Aironet серии 1300:

·   Один радиомодуль, поддерживающий стандарт 802.11g и обеспечивающий пропускную способность до 54 Мбит/с

·        Разъемы RP-TNC для подключения внешних антенн с двойным разнесением, работающих в диапазоне 2.4 ГГц; возможность подключения входящих в комплект или дополнительно приобретаемых внешних антенн обуславливает гибкие возможности при внедрении

·        Может быть сконфигурирована для работы в качестве автономной точки доступа, беспроводного моста или моста рабочей группы

·        Поддерживает конфигурации "точка-точка" и "точка-множество точек"

·        Водонепроницаемый корпус, соответствующий стандарту NEMA-4

·        Объем памяти 16 Мбайт, из которых 8 Мбайт отведено под хранилище

·        Поддержка inline-питания (Power Over Ethernet - действующий стандарт 802.3af)

·        Наличие консольного порта для управления

·        Поддержка Cisco Self-Defending Network, NAC, WPA и 802.11i/WPA2

·        Встроенная система монтажа с повышенной степенью защиты

·        Поддержка стандарта UL2043 для размещения в зонах повышенного давления

Клиентский адаптер беспроводного доступа Cisco Aironet 802.11a/b/g

Этот клиентский адаптер, поддерживающий стандарты 802.11a/b/g, является решением для подключения к беспроводным сетям ноутбуков, tablet PC и других типов компьютеров (например, настольного PC), обладающих слотом CardBus или PCI.

Остальные параметры клиентского адаптера Cisco Aironet:

·    Стандарт передачи данных: IEEE 802.11g

·        Скорость передачи: до 54 Мбит/с

·        Диапазон частот: 2.4 - 2.4835 GHz

·        Шифрование данных: 256-bit WPA encryption 40/64-bit and 128-bit WEP shared-key encryption

·        Индикаторы: Link, Activity

·        Интефейс: PCMCIA Type II или PCI

Как становится понятным из приведенных данных и анализа более широкого спектра оборудования компании Cisco Systems, она выпускает в основном двухдиапазонную продукцию для беспроводных сетей - на стандарты 802.11а и 802.11g, которая способна работать на скорости до 108 Мбит/с. Если же рассматривать оборудование, работающее в одном диапазоне, например 802.11g, как Cisco Aironet серии 1300, то нетрудно заметить, что оно работает только лишь на скорости до 54 Мбит/с. Нет однодиапазонных точек доступа, обеспечивающих скорость 108 Мбит/с.

Так как скорость передачи является очень важной характеристикой, то при дальнейшем рассмотрении оборудования, будем ориентироваться на аппаратуру с максимальной скоростью передачи 108 Мбит/с. [12]

		Оборудование D-Link AirPlus XtremeG
У данного производителя очень широкий модельный ряд оборудования как для беспроводных сетей, так и для проводных. Имеются устройства для сетей любых масштабов и сложности.
	DWL-G650 беспроводной CardBus адаптер 802.11g
	DWL-G520 беспроводной PCI адаптер 802.11g

Беспроводный CardBus адаптер D-Link AirPlus XtremeG DWL-G650 расширенного стандарта 802.11g с повышенной производительностью предназначен для использования в портативных компьютерах, а беспроводный PCI адаптер D-Link AirPlus XtremeG DWL-G520 предназначен для использования в настольных компьютерах.

Эти устройства поддерживают скорость беспроводного соединения до 108 Мбит/с при работе в режиме инфраструктуры совместно с точками доступа и маршрутизаторами серии AirPlus XtremeG, сохраняя при этом совместимость со всем существующим беспроводным оборудованием стандарта 802.11b.

Дополнительно к высокой скорости передачи данных, эти адаптеры предлагают мощные и усовершенствованные функции обеспечения безопасности на сегодняшний день. Для пользователей, которые не имеют сервера RADIUS в своей сети, безопасность обеспечивается удобным, автоматическим способом при совместном использовании с другими продуктами 802.11g. При выполнении операций по защите сети больше не требуется частая смена ключей WEP. При использовании адаптеров DWL-G650 и DWL-G520, новый ключ WEP выдается автоматически при каждом новом подключении к сети. Тем самым избегается неудобная процедура его ручного ввода.

Остальные параметры клиентских адаптеров DWL-G650 и DWL-G520:

·    Тип адаптера PC Card Type II CardBus или PCI 2.2

·        Типы сетевой инфраструктуры: режим Ad-Hoc/режим инфраструктуры

·        Антенна: встроенная разнесенная антенна (DWL-G650)/внешняя съемная дипольная (DWL-G520)

·        Безопасность: шифрование 64/128/152-бит WEP (Wired Equivalent Privacy) / WPA EAP, WPA PSK / Аутентификация 802.1х

DI-624S AirPlus XtremeG высокоскоростной 802.11g беспроводной маршрутизатор со встроенным 4-х портовым коммутатором 10/100BASE-TX и c 2 портами USB

Беспроводной маршрутизатор D-Link DI-624S может служить персональным Web-сервером, обеспечивая доступ пользователям сети Интернет, к файлам и принтерам, с использованием беспроводного соединения. Маршрутизатор имеет встроенные высокоскоростные USB-порты 2.0 для непосредственного подключения устройств хранения информации и принтеров. Благодаря технологии D-Link 108G, маршрутизатор обеспечивает возможность всем пользователям, получать доступ к дискам хранения информации, распечатывать документы и Web-страницы, используя беспроводное соединение со скоростью до 108 Мбит/с.

Остальные параметры беспроводного маршрутизатора DI-624S:

·   Память: Flash: 4 MB / DRAM: 32 MB

·        Интерфейсы:

o 4 порта 10/100BASE-TX Ethernet LAN

o   1 порт 10/100BASE-TX Ethernet WAN

o   2 порта USB 2.0 типа A

o   802.11g Wireless LAN

·   Скорость передачи:

o D-Link 108G: 108 Мбит/с

o   Стандарт 802.11g: от 1 Мбит/с до 54 Мбит/с

o   Стандарт 802.11b: от 1 Мбит/с до 11 Мбит/с

·   Обеспечение QoS: Wi-Fi^ТМ Multimedia (WMM)

·        Антенна: съемная дипольная антенна с коэффициентом усиления 2dBi

·        Управление доступом: Управление доступом по MAC-адрес / Входящий/исходящий фильтр IP / Управление доступом к доменам

·        Межсетевой экран с поддержкой SPI DoS

·        Аутентификация: пароль на доступ к Web

·        Статическая маршрутизация

·        Встроенные функции:

o Файловый сервер

o   FTP-сервер

o   Доступ к принтерам

o   Персональный Web - сервер

·   Поддержка QoS:

o Используя протоколы

o   Используя MAC-адреса

o   Используя порты

o   Используя IP-адреса

·   Настройка/управление:

o Пользовательский Web-интерфейс управления

o   Кнопка восстановления настроек

В качестве альтернативы DI-624S может использоваться:
	DI-624 интернет-шлюз со встроенным 4-х портовым коммутатором и беспроводной точкой доступа 802.11g

Благодаря встроенной беспроводной точке доступа и коммутатору 10/100 Мбит/с, DI-624 обеспечивает готовое подключение для рабочих станций и серверов. Таким образом, применение маршрутизатора избавляет от необходимости применять дополнительные точки доступа или коммутаторы Ethernet. Это устройство поддерживает скорость беспроводного соединения до 108 Мбит/с в Турбо режиме.

Доступ к маршрутизатору может быть настроен на основе МАС и IP адресов пользователей. А для защиты передачи данных через беспроводное соединение, маршрутизатор использует расширенный 64/128/152-бит протокол шифрования стандарта WEP (Wired Equivalent Privacy). WPA (Wi-Fi Protected Access) предоставляет пользователям более высокий уровень безопасности при передачи данных и взаимодействии.

Основное отличие этой модели от предыдущей заключается в отсутствии функции файлового сервера, а следовательно USB портов для подключения к хранилищам данных.

DWL-2100AP высокоскоростная (до 108 Мбит/с) беспроводная точка доступа 802.11g с режимом работы в качестве моста

Это устройство поддерживает скорость беспроводного соединения до 108 Мбит/с в Турбо режиме. Благодаря высокой скорости передачи данных, повышенной безопасности и встроенной функции моста, это устройство является идеальным беспроводным решением, расширяющим функциональность сети и в тоже время защищающим прошлые инвестиции благодаря совместимости с имеющимся сетевым оборудованием стандарта 802.11b.AP может быть настроена для работы в любом из 5-ти режимов:

1.       точка доступа;

2.       беспроводный мост "точка-точка" с другой точкой доступа;

.        беспроводный мост "точка - много точек";

.        беспроводный клиент или

.        беспроводный повторитель.

Благодаря этим встроенным функциям, DWL-2100AP предоставляет гибкость при конфигурировании, что позволяет удовлетворить требования сетевой среды.AP имеет встроенный DHCP сервер, который, как только будет активизирован, начнет автоматически назначать IP адреса беспроводным клиентам.

Остальные параметры беспроводного точки доступа DWL-2100AP:

·   Безопасность:

o Шифрование данных WEP 64 /128/152-бит

o   Аутентификация 802.1x

o   WPA: Wi-Fi Protected Access(TKIP, MIC, IV Expansion, Shared Key Authentication)

·   Антенны: 2dBi съемная дипольная антенна / 2dBi внутренняя антенна

·        Настройка и управление:

o Web-интерфейс управления: Internet Explorer v.6 или поздней; или другие браузеры с поддержкой Java

o   DHCP клиент/сервер

	Высокоскоростные беспроводные устройства D-Link 2.4ГГц (802.11b/11g) AirPlus XtremeG с поддержкой технологии MIMO
	DI-634M AirPlus XtremeG высокоскоростной 2.4ГГц (802.11g) беспроводной маршрутизатор c поддержкой технологии MIMO

Маршрутизатор использует технологию Smart Antenna MIMO (Multiple Input Multiple Output), которая позволяет в 8 раз увеличить дальность передачи беспроводного сигнала. Поддержка этой технологии и скорости беспроводного соединения до 108 Мбит/с позволяет эффективно работать приложениям, требовательным к полосе пропускания, таким как потоковое аудио и видео, сетевые игры в беспроводной сети.

Работая в диапазоне частот 2,4 ГГц, DI-634M передает информацию через множество антенн (Multiple Output) с высоким коэффициентом усиления. В процессе распространения радиосигналы обычно отражаются от объектов, встречающихся на их пути, создавая множество маршрутов, что приводит к их интерференции и затуханию. Маршрутизатор DI-634M использует эффект многолучевого распространения для увеличения дальности передачи информации, объединяя сигналы принятые несколькими антеннами (Multiple Input) на разных частотах и повышая, за счет этого, мощность исходного сигнала. В результате DI-634M сокращает количество «мертвых» зон и передает мощные сигналы на большие расстояния с высокими скоростями, достаточными для работы потоковых приложений и передачи больших файлов.

Совместимость со стандартами 802.11b и 802.11g позволяет DI-634M взаимодействовать с существующим в сети беспроводным оборудованием без проблем.

Остальные параметры беспроводного маршрутизатора DI-634M:

·    Интерфейсы:

o  802.11g WLAN с 108G MIMO

o   1 порт 10/100BASE-TX Ethernet WAN

o   4 порта 10/100BASE-TX Ethernet LAN

·    Безопасность:

o  Шифрование данных 64/128-бит WEP

o   WPA-PSK (Pre-Shared Key)

o   Аутентификация 802.1x

·    Мощность передатчика: 15dBm +/- 2 dB

·        Антенны: две внутренние всенаправленные антенны 2 dBi / две внешние несъемные дипольные антенны 2 dBi

·        Управление:

o  Web-интерфейс: Internet Explorer v6 или более поздняя версия; или любой браузер с поддержкой Java

o   DHCP сервер и клиент

	DWL-G520M AirPlus XtremeG высокоскоростной 2.4ГГц (802.11g) беспроводной PCI-адаптер с поддержкой технологии MIMO
	DWL-G650M AirPlus XtremeG высокоскоростной 2.4ГГц (802.11g) беспроводной CardBus-адаптер c поддержкой технологии MIMO

С помощью беспроводных адаптеров D-Link DWL-G520M и DWL-G650M с поддержкой технологии 108G MIMO настольный компьютер или ноутбук получает возможность устанавливать надежное высокоскоростное беспроводное соединение и увеличивать радиус действия. Адаптер использует технологию Smart Antenna MIMO (Multiple Input Multiple Output), которая позволяет в 8 раз увеличить дальность передачи беспроводного сигнала. Поддержка этой технологии и скорости беспроводного соединения до 108 Мбит/с обеспечивает «Xcelerated Rates at Xtended Range» (увеличенную скорость + расширенный радиус действия) и позволяет эффективно работать приложениям, требовательным к полосе пропускания, таким как потоковое аудио и видео, сетевые игры в беспроводной сети.

Остальные параметры беспроводных адаптеров DWL-G520M и DWL-G650M:

·   Стандарты: IEEE 802.11b / IEEE 802.11g

·        Безопасность:

o Шифрование данных 64/128-бит WEP

o   WPA-PSK (Pre-Shared Key)

o   Аутентификация 802.1x

·   Мощность передатчика: 15dBm +/- 2dB

·        Антенны: две разнесенные переключаемые антенны

DSA-5100 4-х портовый шлюз контроля доступа и обеспечения безопасности беспроводных сетей

Шлюз AirSpot DSA-5100 представляет собой устройство для создания проводных или беспроводных хот-спотов. Шлюз на основе технологии Ethernet разработан для обеспечения свободного или платного широкополосного подключения клиентов к общедоступной сети, в тоже время, позволяя изолировать и защищать частную сеть, которая использует тот же канал связи с Интернет. Имеется возможность предоставлять пользователям проводной или беспроводной доступ в Интернет, или к сетевому принт-серверу или другим сетевым ресурсам и при этом поддерживать защищенную частную сеть, к которой эти пользователи не будут иметь доступ. Через коммутатор шлюз D-Link DSA-5100, и компьютеры и принтеры могут совместно использовать один широкополосный канал к Интернет.

Система Network Access Control System (NACS) DSA-5100 обеспечивает функции, расширяющие стандарт ААА. Решение для управления 4A, реализуемое этой системой поддерживает не только Authentication, Authorization и Accounting (AAA), но и Administration (Администрирование) всех пользователей беспроводной или проводной сети. Шлюз имеет встроенную базу данных, содержащую до 60 настраиваемых правил управления доступом и до 20 учетных записей пользователей. DSA-5100 может поддерживать одновременно до 400 on-line пользователей. Данный хот-спот шлюз также поддерживает внешний механизм аутентификации POP3, RADIUS, и LDAP. Другие функции, такие как IP plug and play, управление полосой пропускания пользователя, принудительная политика безопасности сети, настраиваемый таймер пользователя, web-страница регистрации/выхода, мониторинг трафика в режиме реального времени и перенаправление URL обеспечивают различные способы организации настройки и управления хот-спотом как свободного или как платного сервиса.

Остальные параметры шлюза AirSpot DSA-5100:

·   Порты устройства:

o 2 порта WAN (10/100BASE-TX Ethernet) с поддержкой 802.3ad

o   LACP Link Aggregation

o   1 порт частной LAN (10/100BASE-TX Ethernet) с поддержкой 802.1q

o   VLAN

o   1 порт общедоступной LAN (10/100BASE-TX Ethernet) с поддержкой аутентификации 802.1x

o   1 консольный порт RS-232

o   1 дополнительный порт RS-232 (зарезервирован для подключения термального принтера)

·   Динамическая память (буфер RAM): 128 MB

·        Flash память (прошивка): 64 MB

·        Администрирование:

o Мониторинг состояния on-line/сохранение истории трафика

o   Интерфейс администрирования/аутентификации пользователей с защитой SSL

o   IP мониторинг

o   Настраиваемый web-интерфейс регистрации пользователя/ выхода из системы

o   Перенаправление URL на требуемый ресурс после успешной регистрации

o   Консольный интерфейс для администрирования

o   Web- интерфейс для администрирования

o   Удаленный SSH интерфейс для администрирования

o   Управление SNMP v.2

o   Внешний сервер SYSLOG

o   Управление полосой пропускания пользователя

o   Удаленное обновление ПО

o   Резервирование/восстановление конфигурации

·   Встроенный сервер DHCP [13]

	Продукты Linksys для беспроводных сетей
	Широкополосный маршрутизатор WRT54GL стандарта 802.11g с 4-х портовым коммутатором

Широкополосный маршрутизатор WRT54GL это 3 устройства в одном. Во-первых, это беспроводная точка доступа, которая позволяет устанавливать беспроводные соединения на скорости до 54 Мбит/с (802.11g) или 11 Мбит/с (802.11b). Во-вторых, в этом устройстве имеется встроенный 4-х портовый коммутатор 10/100 Мбит/с Ethernet. Можно присоединить 4 компьютера напрямую или использовать дополнительные коммутаторы, чтобы построить большую сеть. И, наконец, функция маршрутизатора позволяет связать их всех вместе и предоставить всей сети доступ в Интернет через высокоскоростное проводное соединение.

Остальные параметры беспроводного маршрутизатора WRT54GL:

·   Скорость передачи:

o Стандарт 802.11g: от 1 Мбит/с до 54 Мбит/с

o   Стандарт 802.11b: от 1 Мбит/с до 11 Мбит/с

·   Безопасность:

o Шифрование данных 64/128-бит WEP

o   Фильтрация МАС - адресов

o   Брандмауэр

·   Настройка и управление:

o Web-интерфейс управления: Internet Explorer v.6 или поздней; или другие браузеры с поддержкой Java

WAP54GP высокоскоростная (до 54 Мбит/с) беспроводная точка доступа 802.11g с питанием по кабелю Ethernet

Высокоскоростная беспроводная точка доступа WAP54GP позволяет устанавливать беспроводные соединения на скорости до 54 Мбит/с (802.11g) или 11 Мбит/с (802.11b). Питание по кабелю Ethernet облегчает установку устройства, так как нет необходимости в доступе к розетке питания. Кабель Ethernet используется и для передачи данных, и для подачи питания на точку доступа.

Остальные параметры беспроводной точки доступа WAP54GP:

·   Порты:

o Порт Ethernet

o   Порт для подключения внешней антенны

·   WAP54GP -2100AP может быть настроена для работы в любом из 5-ти режимов:

o точка доступа;

o   беспроводный мост "точка-точка" с другой точкой доступа;

o   беспроводный мост "точка - много точек";

o   беспроводный повторитель

·   Безопасность:

o Шифрование данных 64/128-бит WEP

o   WPA, 802.11i

o   Разрешение/запрет трансляции SSID

	WPC54G высокоскоростной 2.4 ГГц (802.11b/g) беспроводной CardBus-адаптер
	WMP54G высокоскоростной 2.4 ГГц (802.11b/g) беспроводной PCI-адаптер

С помощью беспроводных адаптеров Linksys WPC54G и WMP54G ноутбук или настольный компьютер получает возможность устанавливать надежное высокоскоростное беспроводное соединение и увеличивать радиус действия. Они позволяют достигать максимальной скорости передачи до 54 Мбит/с (802/11g), обеспечиваю совместимость с оборудованием стандарта 802.11b. Различаются между собой только лишь способом подключения: либо к PCI шине, либо к PCMCIA.

Остальные параметры беспроводных адаптеров WPC54G и WMP54G:

·    Безопасность:

o  Шифрование данных 64/128/256-бит WEP

o   WPA-PSK (Pre-Shared Key)

·    Антенна: дипольная антенна [14]

	Беспроводное оборудование фирмы TRENDnet
	TEW-401PCplus беспроводной адаптер PC CardBus 802.11g (до 125 Мбит/с)

Высокоскоростное беспроводной адаптер TEW-401PCplus стандарта G позволяет подключать мобильный ПК к беспроводным сетям IEEE 802.11g/b на скорости до 125 Мбит/с. Безопасное WEP- и WPA-совместимое шифрование обеспечивает полную защищенность, позволяя использовать общие файлы, Интернет-соединения и другие ресурсы без лишнего беспокойства.

Остальные параметры беспроводного адаптера TEW-401PCplus:

·   32-х разрядный интерфейс PCMCIA CardBus Type II; поддержка "горячей" замены и Plug-n-Play.

·        Скорость беспроводного соединения до 125 Мбит/с (технология Afterburner).

·        Wi-Fi - совместимость с устройствами IEEE 802.11g и 802.11b.

·        Динамически регулируемая сетевая скорость (в зависимости от мощности сигнала).

·        Встроенная разнесенная антенна с индикаторами состояния связи.

·        Поддержка Ad-Hoc (равноправное соединение) и режима инфраструктуры (через узел доступа).

·        64/128 битное шифрование (WEP) с ключами ASCII, HEX или ключевой фразой.

·        Поддержка защищенного Wi-Fi доступа (WPA) с предопределенным ключом.

·        Возможность хранения нескольких сетевых профилей.

·        Низкое потребление энергии и легкая настройка.

·        Возможность использования мультимедийных приложений, требующих высокой пропускной способности, например, потоковой передачи видео.

·        Мощность излучения: 15 дБм (максимальная)

·        Скорость передачи данных:

o 802.11b: 11 Мбит/с, 5.5 Мбит/с, 2 Мбит/с и 1 Мбит/с;

o   802.11b: 11 Мбит/с, 5.5 Мбит/с, 2 Мбит/с и 1 Мбит/с;

o   802.11g: 54 Мбит/с, 48 Мбит/с, 36 Мбит/с, 24 Мбит/с, 18 Мбит/с, 12 Мбит/с, 9 Мбит/с и 6 Мбит/с;

o   High Speed-G: 125 Мбит/с, пропускная способность увеличена на 40% (технология Afterburner).

TEW-452BRP маршрутизатор для беспроводной связи 108 Мбит/с 802.11g

Встроенная в маршрутизатор точка доступа TEW-452BRP, поддерживающая скорости до 108 Мбит/с, позволит легко установить передачу данных по беспроводной сети между устройствами. Маршрутизатор данного устройства позволяет нескольким пользователям одновременно пользоваться одной учетной записью для доступа в Интернет, а его 4-портовый коммутатор, поддерживающий скорость 10/100 Мбит/с, позволяет легко наладить связь по проводной сети Ethernet. Благодаря шифрованию по схеме WEP и WPA, которое защитит передаваемую информацию, можно обеспечить совместное использование файлов, удаленного доступа и других ресурсов. Дополнительное средство безопасности - брандмауэр SPI.

Остальные параметры беспроводного маршрутизатора TEW-452BRP:

·   Совместимость с устройствами стандарта IEEE 802.11g и 802.11b

·        4 порта для ЛС 10/100 Мбит/с и 1 порт для глобальной сети (Интернет) 10/100 Мбит/с

·        Поддержка кабельных/DSL-модемов с видами соединения: по динамическому IP, статическому IP, PPPoE, PPTP или L2TP

·        Поддержка технологии Super G и XR (eXtended Range) со скоростью передачи данных до 108 Мбит/с

·        Функция DHCP Server позволяет распределять до 253 клиентских IP-адресов

·        Поддержка 64/128-разрядного шифрования Wired Equivalent Privacy (WEP) и WPA

·        Поддержка фильтров по MAC-адресам, IP, URL, протоколам и блокировки доменов

·        Управление трафиком с помощью виртуального сервера и DMZ

·        Повышенная безопасность с помощью брандмауэра SPI / NAT и предупреждение об атаках по электронной почте

·        Повышенная безопасность для включения/выключения SSID, защита паролем

·        Поддержка статической и динамической маршрутизации

·        Флэш-память для обновления встроенных программ, настройки сохранения/восстановления и регистрация трафика

·        Легкость управления с помощью веб-браузера (HTTP) и удаленного управления

·        Антенна с двойным разнесением: 1 внутренняя печатная антенна / 1 наружная отделяемая вибраторная антенна, 2 dBi

·        Мощность передачи 15 dBm ± 2 dBm

TEW-610APB точка беспроводного доступа 108 Мбит/с 802.11g с поддержкой технологии MIMO

Точка доступа TEW-610APB 108 Мбит/с 802.11g MIMO Wireless позволяет эксплуатировать устройства беспроводной связи без ограничений в их месторасположении, уменьшив при этом помехи и случаи нарушения в работе системы. Это устройство предоставляет надежный, высокоскоростной беспроводный доступ с увеличенной зоной охвата по сравнению со стандартными беспроводными сетями стандарта 802.11b или 802.11g. Точка беспроводного доступа MIMO позволяет обойти препятствия на пути передачи сигналов и превратить бывшие "мертвые зоны" в зоны со стабильным приемом сигнала. Точка беспроводного доступа MIMO, полностью совместимая с уже имеющимися системами и устройствами стандарта 802.11g и 802.11b, идеально подходит для модернизации существующей беспроводной сети.

Остальные параметры беспроводной точки доступа TEW-610APB:

·    Совместимость со стандартами IEEE 802.11g и IEEE 802.11b

·        Поддерживает технологию Super G со скоростью передачи данных до 108 Мбит/с (только в режиме точки доступа)

·        Технология MIMO позволяет увеличить зону охвата при беспроводной связи до 800% (по заявлению производителя)

·        Поддержка режимов точки доступа и беспроводного моста (до 6-ти устройств)

·        Поддержка 64/128-разрядного шифрования WEP(Hex)

·        Поддержка шифрования WPA/WPA2 и WPA-PSK/WPA2-PSK

·        Поддержка фильтра по MAC-адресам (до 16 элементов)

·        Управление процессом включения-выключения сигналов беспроводной связи и идентификатора SSID

·        Флэш-память для обновления встроенных программ и легкость управления с помощью веб-браузера (HTTP)

·        Режимы: точка доступа / беспроводный мост

·        Антенны: 2 внешние фиксированные вибраторные антенны по 4 dBi (максимально) / 2 встроенных антенны PCB

TEW-611BRP маршрутизатор для беспроводной связи на скорости до 108 Мбит/с 802.11g с поддержкой технологии MIMO

Благодаря использованию новейших технологий маршрутизатор для беспроводной связи TEW-611BRP MIMO 802.11g позволяет уверенно увеличить зону охвата при беспроводной связи и повысить производительность сети. Обеспечена также обратная совместимость с стандартами 802.11g и 802.11b, благодаря чему для уже существующих беспроводных устройств открывается преимущество увеличения расстояния в системе MIMO. При большой нагрузке на полосу пропускания беспроводный маршрутизатор системы MIMO позволяет рациональным образом обрабатывать потоки и устанавливать приоритеты автоматическому трафику. Среди средств безопасности - встроенный брандмауэр SPI, защищающий от хакеров, и новейшая система обеспечения безопасности при беспроводной связи (WPA2-PSK), защищающая передаваемые по беспроводной сети данные. Также предусмотрено 8 типов сервисов для динамического DNS. Маршрутизатор MIMO 802.11g Wireless, способен развивать скорость до 108 Мбит/с.

Остальные параметры беспроводного маршрутизатора TEW-611BRP:

·    Совместимость со стандартами IEEE 802.11g и IEEE 802.11b

·        4 порта для ЛС Ethernet 10/100 Мбит/с и 1 порт для глобальной сети 10/100 Мбит/с (Интернет)

·        Поддержка кабельных/DSL-модемов с видами соединения: по динамическому IP, статическому IP, PPPoE, PPTP, L2TP или BigPond

·        Поддерживает технологию Super G со скоростью передачи данных до 108 Мбит/с (только в режиме точки доступа)

·        Технология MIMO позволяет увеличить зону охвата при беспроводной связи до 800% (по заявлению производителя)

·        Сервер DHCP позволяет распределить до 252 клиентских IP-адресов и до 64 резервирующих записей

·        Поддержка 64/128-разр. шифрования WEP (Hex), WPA/WPA2 и WPA-PSK/WPA2-PSK

·        В брандмауэре предусмотрено преобразование сетевых адресов (NAT), а инспекция пакетов (SPI) защищает от Dos-атак.

·        Управление трафиком с виртуальным сервером (макс. 64 конфигурируемых серверов) и DMZ.

·        Поддержка UPnP (универсального Plug & Play) и шлюзов уровня приложений (ALG) для таких Интернет-приложений, как Email, FTP, игры, подключение к удаленному рабочему столу, Net Meeting, Telnet.

·        Повышенная безопасность при включении/отключении SSID, управлении доступом к сети Интернет (фильтрация по сервисам, URL и MAC)

·        Поддержка статических DHCP-клиентов, статической маршрутизации (RIP v1 Announcer) и динамических DNS (8 Verified Services)

·        Поддержка нескольких и параллельно действующих сеансов IPSec, L2TP и транзитных сеансов виртуальной частной сети для PPTP

·        Флэш-память для обновления встроенных программ, настройки сохранения/восстановления

·        Легкость управления с помощью веб-браузера (HTTP) и удаленного управления

При сравнении параметров оборудования фирм D-Link и TRENDnet становятся очевидными некоторые сходства в параметрах. Таким образом, модель TRENDnet TEW-452BRP является аналогом маршрутизатора D-Link DI-624. У обеих фирм имеется аппаратура, поддерживающая технологию MIMO. Маршрутизаторы DI-634M и TEW-611BRP от D-Link и TRENDnet соответственно имеют практически одинаковые параметры.

Подобная ситуация на рынке беспроводного оборудования дает полную свободу выбора для пользователя. Имеется выбор и возможность приобретения оборудования именно с тем параметрами и характеристиками, которые необходимы.

Теперь коснемся немного проводной части интегрированной сети. Для успешного подключения рабочей станции к проводной сети Ethernet необходим сетевой адаптер. На сегодняшний день выбор таких адаптеров очень велик, поэтому остановимся на наиболее популярных и надежных, произведенных известными фирмами. [15]

Адаптеры D-Link Fast Ethernet для шины PCI, коммутаторы и маршрутизаторы для проводных сетей
DFE-520TX сетевой адаптер Fast Ethernet для шины PCI с поддержкой 802.3х

TX - сетевой адаптер с автоматическим определением скорости 10/100 Мбит/с, устанавливаемый в ПК со слотом расширения PCI. Этот адаптер использует однокристальную технологию и оборудован встроенным буфером типа «очередь», обеспечивая возможность простого подключения компьютера к сети Ethernet.

Адаптер имеет встроенную функцию управления потоком данных 803.2х в полнодуплексном режиме, обеспечивая защиту от потерь пакетов при их передаче по сети. При подключении к коммутатору, поддерживающему управление потоком, адаптер, во время пиковых нагрузок, получает от него сигналы о переполнении буфера. После этого адаптер приостанавливает передачу данных до тех пор, пока не получит сигнал от коммутатора, что он готов к приему данных.

Остальные параметры сетевого адаптера DFE-520TX:

·   Стандарты:

o IEEE 802.3 10BASE-T Ethernet

o   IEEE 802.3u 100BASE-TX Fast Ethernet

o   Автосогласование IEEE 802.3 NWay

o   Управление потоком IEEE 802.3x

o   Спецификации локальной шины PCI 2.2

·   Скорости передачи данных

o 10BASE-T: 10 Мбит/с (полудуплекс) / 20 Мбит/с (полный дуплекс)

o   100BASE-TX: 100 Мбит/с (полудуплекс) / 200 Мбит/с (полный дуплекс)

·   Сетевые кабели:

o 10BASE-T: UTP Cat.3, 4, 5 (100 м макс.) / EIA/TIA-568 STP (100 м макс.)

o   100BASE-TX: UTP Cat.3, 4, 5 (100 м макс.) / EIA/TIA-568 STP (100 м макс.)

DFE-528TX сетевой адаптер Fast Ethernet для PCI шины

TX - это высокопроизводительный сетевой адаптер с автоматическим определением скорости передачи 10/100 Mбит/с для шины PCI. Работа в режиме полного/полудуплекса определяется автоматически как для подключения 10BASE-T, так и для 100BASE-TX.

Остальные параметры сетевого адаптера DFE-528TX:

·   Стандарты:

o IEEE 802.3 10BASE-T Ethernet

o   IEEE 802.3u 100BASE-TX Fast Ethernet

o   ANSI/IEEE 802.3 NWay автосогласование скорости

o   Спецификации PCI local bus 2.1, 2.2

·   Скорость передачи данных в сети:

o 10BASE-T: 10 Мбит/с (полудуплекс)

o   10BASE-T: 20 Мбит/с (полный дуплекс)

o   100BASE-TX: 100 Мбит/с (полудуплекс)

o   100BASE-TX: 200 Мбит/с (полный дуплекс)

·   Сетевые кабели:

o 10BASE-T: UTP категории 3, 4, 5 (100 м) / EIA/TIA-568 100 Ом экранированная витая пара (STP) (100 м)

o   100BASE-TX: UTP категории 5 (100 м) / EIA/TIA-568 100 Ом экранированная витая пара (STP) (100 м)

DES-1024D коммутатор с 24 портами 10/100Base-TX

Неуправляемый коммутатор DES-1024D 10/100 Mbps позволяет пользователям легко подключаться к любому порту как на скорости 10 Мбит/с, так и 100 Мбит/с для увеличения полосы пропускания, уменьшения времени отклика и обеспечения требованиям по высокой загрузке. Коммутатор имеет 24 порта 10/100 Мбит/с, позволяя рабочим группам гибко совмещать Ethernet и Fast Ethernet. Эти порты обеспечивают определение скорости и автоматически переключаются как между 100BASE-TX и 10BASE-T, так и между режимами полного или полу-дуплекса.

Все порты поддерживают контроль за передачей трафика - flow control. Эта функция минимизирует потерю пакетов, передавая сигнал коллизии, когда буфер порта полон.

Остальные параметры коммутатора DES-1024D:

·   Безопасная схема коммутации store-and-forward

·        Скорость передачи данных:

o Ethernet: 10 Мбит/с (полу-дуплекс) или 20 Мбит/с (полный дуплекс)

o   Fast Ethernet: 100 Мбит/с (полу-дуплекс)

o   200 Мбит/с (полный дуплекс)

·   Таблица MAC-адресов: 8 K на устройство

·        Автоматическое обновление таблицы MAC-адресов

·        Буфер ОЗУ: 2.5 Mбайта

DES-1226G настраиваемый коммутатор с 24 портами 10/100Base-TX + 2 комбо-портами 1000Base-T/Mini GBIC (SFP)

Настраиваемый коммутатор D-Link DES-1226G представляет собой экономичное решение для создания коммутируемых сетей Ethernet с простой настройкой производительности и безопасности сети. Коммутатор имеет 24 порта 10/100BASE-TX Fast Ethernet и 2 комбо 1000BASE-T/SFP (Mini GBIC) порта для гибкого подключения по медному или оптоволоконному кабелю. Агрегирование портов обеспечивает высокоскоростное подключение к серверам или магистрали сети, в то время как функции необходимые для приложений, требовательных к полосе пропускания, такие как очереди приоритетов и VLAN, позволяют реализовать качество обслуживания QoS и защиту.

Порты коммутатора могут быть объединены вместе для создания канала связи с агрегированной полосой пропускания для подключения к серверам или магистрали сети. Транковые группы можно использовать при расширении сети, что исключит узкие места между коммутаторами. Коммутатор позволяет объединить от 2-х до 12 портов в транковую группу и создать до 3 групп агрегированных каналов.

Поддержка виртуальных сетей VLAN позволяет ограничить широковещательные домены, и сегментировать потоки данных.

Коммутатор поддерживает функцию зеркалирования портов, предназначенную для мониторинга сетевого трафика. Администратор сети может использовать эту функцию как средство диагностики или отладки, особенно при отражении атак. Она позволяет следить за производительностью коммутатора и изменять ее в случае необходимости. Зеркалирование портов может контролироваться как локально, так и удаленно.

Остальные параметры коммутатора DES-1226G:

·   Скорости передачи данных:

o Ethernet: 10 Мбит/с (полудуплекс) / 20 Мбит/с (полный дуплекс)

o   Fast Ethernet: 100 Мбит/с (полудуплекс) / 200 Мбит/с (полный дуплекс)

o   Gigabit Ethernet: 2000 Мбит/с (полный дуплекс)

·   Сетевые кабели:

o UTP Cat. 5, 5e (100 м макс.)

o   EIA/TIA-568 100- Ом STP (100 м макс.)

·   Полный/полудуплекс:

o Полный/полудуплекс для скоростей 10/100 Мбит/с

o   Полный дуплекс для скорости Gigabit Ethernet

·   VLAN:

o 802.1Q VLAN

o   Максимальное количество VLAN: 64 на устройство

·   Управление доступом пользователей: функция Static Mac (64 статических записей)

·        Качество обслуживания (QoS): очереди приоритетов 802.1р (максимальное количество очередей: 2)

·        Агрегирование портов:

o 2 транковых группы 10/100 Мбит/с (до 12 портов 10/100 Мбит/с на группу)

o   1 транковая группа Gigabit Ethernet (2 порта Gigabit Ethernet на группу)

·   Управление и настройка:

o Web-интерфейс настройки

o   Утилита для ОС Windows

o   Программный и аппаратный (кнопка сброса) сброс конфигурации

o   Поддержка SNMP v.1 с MIB-II (RFC 1213), private MIB

·   Производительность внутренней магистрали: 8.8 Гбит/с

·        Размер таблицы MAC-адресов: 8 Kб записей на устройство

·        Автоматическое обновление MAC-адресов

·        Скорость фильтрации/передачи пакетов (полудуплекс): Максимум 1,488,095 пакетов в секунду на порт

·        Буфер RAM: 256 Кб на устройство

DI-3660 мультисервисный маршрутизатор для сетей масштаба предприятия

- это мультисервисный маршрутизатор D-Link, разработанный для поддержки растущего числа удаленных офисов и подразделений, которым необходим доступ в корпоративную сеть или сеть Интернет. Этот маршрутизатор предлагает поддержку различных технологий удаленного доступа, включая передачу голоса и факсов через сети TCP/IP. Модульная архитектура маршрутизатора позволяет быстро подобрать оптимальную конфигурацию устройства, выбрав необходимый модуль с любым типом подключения, начиная от ISDN, синхронных /асинхронных серийных портов, dial-up/выделенных линий, E1, оптического/медного Ethernet, широкополосных подключений по телефонным линиям, и передачи голоса и данных. Эффективность и соотношение цена/функциональность достигается за счет получения любого необходимого интерфейса заменой модуля, а не всего устройства.

Остальные параметры маршрутизатора DES-3660:

·   RISC Процессор: Motorola MPC8240 at 200MHz

·        Память:

o EEPROM: 512 Kбайт

o   Flash: 8 Mбайт

o   SDRAM: 64 ~128 Mбайт

·   Интерфейсы:

o Консольный порт (RJ-45 с RS-232 интерфейсом)

o   Вспомогательный порт (RJ-45 с RS-232 интерфейсом, с полной поддержкой управления модемом)

·   Протоколы доступа: Frame relay, X.25, LAPB, PPP, PPPoE, SLIP, ISDN (PRI/BRI), LLC2, SDLC, DLSW-SSP, VLAN (max. 300 VLANs)

·        Сетевые протоколы: ARP, ARP Proxy, DNS, NAT, IP Filtering, ICMP, IGMP, DHCP, NHRP

·        Протоколы маршрутизации: Static routing, Policy-base routing, RIP v1, v2, OSPF v1, v2, BGP-4, DDR, IP Multicasting, DVMRP, PIM-DM, PIM-SM

·        Безопасность:

o Аутентификация/авторизация: Radius, PAP, CHAP, TACAS+, PPP callback,

o   Межсетевой экран: ACL, NAT, VPN, L2TP, GRE, PPTP *, IPSec

o   Quality of Service (QoS): FIFO, PQ, CQ, CBWFQ, WFQ, RED, WRED, RTS, RSVP

o   Надежность сети: HSRP, Port backup,

·   Управление: SNMP v1, v2, v3, RMON, HP Open View, Cisco View, Cisco Works, Telnet [13]

Решения фирмы 3Com для проводных сетей
	3C905CX-TX-M сетевой адаптер Fast Ethernet 3СОМ для PCI шины

Основные параметры сетевого адаптера 3C905CX-TX-M:

·    Режимы передачи данных: 10BASE-T / 100BASE-TX

·        Скорость передачи данных: 10 / 100 Мбит/с

·        Тип разъема: RJ45

·        Поддерживаемые стандарты: PCI 2.1/2.2, PC99/2001, DMI 2.0s, ACPI, WfM, WOL, BIS, PXE, BOOTP, TFTP, DHCP

·        Управление сетью: любой SNMP менеджер, включая 3Com Managed PC Boot Agent

Семейство коммутаторов SuperStack® 3 Switch 4400

Управляемые коммутаторы корпоративного класса для рабочих групп, обеспечивающие коммутацию в сетях Ethernet 10/100 Мбит/с, с возможностью установки в стек и поддержкой гигабитных нисходящих соединений. Коммутаторы семейства SuperStack 3 Switch 4400, поставляемые в конфигурациях с 24 и 48 портами, поддерживают основные типы сетевых интерфейсов, включая Power over Ethernet и 100BASE-FX, и имеют 2 разъема для подключения гигабитных модулей, отвечая практически любым требованиям коммутации корпоративного уровня в сетях рабочих групп. Расширенные функции обеспечения безопасности при передаче данных и управлении трафиком в сети. Аутентификация на базе протокола IEEE 802. 1X RADIUS Network Login обеспечивает надежный контроль доступа на границе сети. Коммутаторы 3 Com SuperStack 3 Switch 4400 автоматически выбирают оптимальную скорость соединения и дуплексный режим для подключенных устройств, что позволяет избежать ошибок, связанных с неверными настройками сети.

Основные параметры коммутаторов SuperStack 3 Switch 4400:

·   Скорость коммутации: модель с 24 портами: 8,8 Гбит/с; модель с 48 портами: 13,6 Гбит/с

·        8000 MAC-адресов

·        64 виртуальных сетей (VLAN)

·        Объединение в стек: до 384 портов, управление стеком через один IP-адрес, возможность горячей замены

·        Конфигурирование: командная строка, Telnet, Web-интерфейс, SNMP

·        Протокол Network Login: аутентификация пользователей IEEE802.1X:

o аутентификация на сервере RADIUS;

o   защищенный режим (Secure Mode) с фиксацией MAC-адресов

·   Отключение неавторизованных устройств DUD (Device Unauthorized Disconnect)

Семейство маршрутизаторов 3Com® Router 3000

Семейство маршрутизаторов 3Com® Router3000, обладающих привлекательным соотношением цена-производительность. Эти маршрутизаторы, выполненные в настольном конструктиве, просты в установке, эксплуатации и управлении.

Маршрутизаторы семейства 3Com Router3000 поддерживают совместимые со стандартами механизмы маршрутизации, полностью совместимы с большим набором интерфейсов и протоколов маршрутизации. В этих маршрутизаторах реализованы такие механизмы обеспечения безопасности, как брандмауэры, виртуальные частные сети, передача трафика Systems Network Architecture (SNA) с использованием протокола Data-Link Switching (DLSw), протокол DHCP, а также решения, позволяющие устанавливать резервные коммутируемые соединения по запросу для каналов территориально-распределенных сетей. Маршрутизаторы также поддерживают разнообразные механизмы качества обслуживания (QoS), такие как виртуальные локальные сети, реализация мостов, использование протокола VRRP и передача многоадресного IP-трафика.

Основные параметры маршрутизаторов 3Com Router3000:

·   Память: SDRAM: 64 Мб, Флэш-память: 8 Мб

·        Маршрутизация трафика: протоколы IP, IPX, OSPF, RIP версий 1 и 2, BGP-4, статическая маршрутизация

·        Безопасность:

o виртуальные частные сети (VPN) с поддержкой протоколов L2TP, GRE и IPSec, брандмауэр, списки контроля доступа (ACL), трансляция сетевых адресов (NAT)

o   Аутентификация RADIUS и РАР/СНАР

·   Управление:

o ПО 3Com Network Supervisor, 3Com Router Manager, интерфейс командной строки

o   Протокол SNMP версий 1,2 и 3, Telnet, RMON

o   Система диагностики Info Center

·   Tolly Verified: Cisco Interoperability (Проверено компанией Tolly на функциональную совместимость с оборудованием Cisco) [16]

4.3 Выбор оборудования

Для построения проводного сегмента интегрированной сети в общем случае может использоваться оборудование любых производителей, так как практически все оборудование совместимо друг с другом. Поэтому выбор определяется только требованиями к сети и ее характеристиками. Неоспоримое преимущество коммутаторов от 3Com заключается в том, что они могут осуществлять питание устройств по кабелям Ethernet.

При построении беспроводного сегмента интегрированной сети в рассмотрение принимается утверждение о том, что для достижения заявленных максимальных параметров необходимо использовать оборудования одного производителя. Это относится не ко всей сети в целом, но, например, к зоне действия одной точки доступа.

Важнейшими критериями выбора оборудования при построении беспроводных сетей являются:

·    Соответствие стандарту

·        Мощный процессор/криптографический процессор

·        Простое крепление к стене/потолку

·        Электропитание по витой паре (Power over Ethernet)

·        Две антенны (с возможностью переключения)

·        Возможность подключения внешних антенн

·        Функции безопасности

·        Шифрование WEP/динамический WEP (WEP Plus)

·        Безопасность WPA (аутентификация 802.1х/RADIUS и шифрование TKIP/AES)

·        Списки контроля доступа на базе МАС-адресов

·        Брандмауэр с контекстной проверкой пакетов (если точка доступа используется как маршрутизатор доступа)

·        Интерфейс Web (сервер HTTP)

·        SSH

·        Сервер DHCP/ретранслятор DNS

·        Дополнительные функции (точка доступа как маршрутизатор доступа, как мост)

·        Интегрированный коммутатор

·        Сертификация Wi-Fi (обязательно) [17]

4.4 Архитектура интегрированной сети доступа на базе технологий

Ethernet и Wi-Fi

На рис. 68 изображена архитектура интегрированной сети доступа, построенной на базе двух родственных технологий - Ethernet и Wi-Fi. Таким образом сеть состоит из проводного сегмента, в котором все элементы соединены с использованием кабеля типа «витая пара» категории 5, и беспроводного сегмента, в котором для передачи данных используется радиоэфир.

Беспроводная сеть обеспечивает подключение пользователей с мобильными устройствами (ноутбуки, КПК, коммуникаторы и т.д.) к ресурсам проводной сети. Появляется возможность использования высокоскоростного канала в труднодоступных местах, куда прокладка кабеля невозможна или нецелесообразна.

В проводном сегменте установлено оборудование американской кампании 3Com: маршрутизаторы 3Com Router серии 3000 и коммутаторы 3Com Switch серии 4400. Это надежное и функционально оборудование, хорошо себя зарекомендовавшее на рынке проводных сетей Ethernet. Маршрутизаторы поддерживают большое количество интерфейсов и протоколов маршрутизации, а также обеспечивают высокий уровень безопасности. Коммутаторы могут быть оснащены или 24, или 48 портами с автоопределением скорости 10/100 Мбит/с и обеспечивают высокую производительность за счет высокой пропускной способности внутренней шины, которая составляет 8,8 Гбит/с или 13,6 Гбит/с соответственно для 24- и 48-портового коммутатора. Коммутаторы 3Com поддерживают возможность объединения в стек до 384 портов с управлением через 1 IP-адрес.

К ним могут подключаться как обычные компьютеры с сетевыми адаптерами Ethernet/Fast Ethernet, так и устройства беспроводной сети, такие как точки доступа, беспроводные маршрутизаторы, шлюзы, мосты и другие. Сетевые адаптеры Ethernet могут использоваться любых производителей, на схеме указаны адаптеры Fast Ethernet 10/100 Мбит/с D-Link, 3Com и интегрированные в материнские платы настольных компьютеров. Последнее решение особенно часто применяется при построении офисных сетей.

Большая часть беспроводной сети построена на оборудовании тайваньской фирмы D-Link. Это объясняется тем, что у данной фирмы наибольший ассортимент продукции с поддержкой любых скоростей для беспроводных сетей любых стандартов. Фирма имеет множество собственных разработок и патентов. Большое внимание D-Link уделяет вопросам авторизации и локализации своей продукции. На русский язык переведены и адаптированы основные технические и маркетинговые материалы. Оборудование D-Link, представленное на российском рынке, имеет сертификаты систем "Электросвязь", Ростест и отвечает гигиеническим стандартам.

Беспроводной маршрутизатор D-Link DI-624S со встроенным коммутатором на 4 порта Ethernet 10/100 Мбит/с, точкой доступа и 2 портами USB позволяет объединить проводные и беспроводные устройства в локальную сеть и обеспечивает всем пользователям выход в Интернет. C его помощью можно также получить доступ к устройствам хранения информации или принтерам, подключенным к его высокоскоростным USB портам. D-Link DI-624S способен осуществлять подключения беспроводных устройств на скорости до 108 Мбит/с. В ноутбуках может использоваться мобильная технология Intel Centrino, а в стационарных компьютерах Wi-Fi адаптеры D-Link DWL-G520.

Особый интерес представляет беспроводной маршрутизатор D-Link DI-634M. Помимо всех вышеперечисленных достоинств маршрутизатора D-Link DI-624S это устройство поддерживает еще и технологию MIMO - Multiple Input Multiple Output, обеспечивающую больший радиус покрытия сети. Работая в диапазоне частот 2,4 ГГц, DI-634M передает информацию через множество антенн (Multiple Output) с высоким коэффициентом усиления. В процессе распространения радиосигналы обычно отражаются от объектов, встречающихся на их пути, создавая множество маршрутов, что приводит к их интерференции и затуханию. Маршрутизатор DI-634M использует эффект многолучевого распространения для увеличения дальности передачи информации, объединяя сигналы принятые несколькими антеннами (Multiple Input) на разных частотах и повышая, за счет этого, мощность исходного сигнала. В результате DI-634M сокращает количество «мертвых» зон и передает мощные сигналы на большие расстояния с высокими скоростями, достаточными для работы потоковых приложений и передачи больших файлов. Настольные ПК подключаются к нему с помощью беспроводных адаптеров D-Link DWL-G520M также с поддержкой технологии MIMO. Через порт Ethernet маршрутизатор связывается с точкой доступа D-Link DWL-2100AP. Эта точка доступа поддерживает высокоскоростные (до 108 Мбит/с) соединения с беспроводными адаптерами Wi-Fi D-Link DWL-G650, установленными в мобильные компьютеры пользователей. Через беспроводную систему распределения данная точка доступа D-Link DWL-2100AP связывается с аналогичной точкой доступа D-Link DWL-2100AP.

Сервисный шлюз D-Link DSA-5100 обеспечивает подключение пользователей к общедоступной сети, в тоже время, позволяя изолировать и защищать частную сеть, которая использует тот же канал связи с Интернет. В обеих сетях применяются беспроводные точки доступа D-Link DWL-2100AP, для улучшения качества приема или для увеличения зоны покрытия можно использовать дополнительные точки доступа поддерживающие скорость до 108 Мбит/с. Кроме беспроводных адаптеров D-Link DWL-520G и D-Link DWL-650G, пользователи могут использовать адаптер D-Link DWL-G132, который по характеристикам не отличается от указанных двух, только выполнен в компактном корпусе с USB разъемом.

Некоторые точки доступа могут работать в нескольких режимах, например, в режиме беспроводного моста. Ярким примером этого может служить точка доступа американской фирмы TRENDnet TEW-610APB, поддерживающая технологию MIMO. Она превращает любое устройство, например, принтер, портативный или настольный компьютер, даже игровую консоль в беспроводное сетевое устройство. Такие точки доступа подключаются к беспроводному маршрутизатору TRENDnet TEW-611BRP, который позволяет увеличить зону охвата беспроводной высокоскоростной сети в несколько раз при помощи технологии MIMO.

Специально разработанная для работы в уличных условиях точка доступа/мост Cisco Aironet серии 1300 фирмы Cisco позволяет соединить компьютеры, подключенные к неуправляемому коммутатору D-Link DES-1024D, с проводным сегментом интегрированной сети посредством беспроводного соединения на скорости до 54 Мбит/с.

Рисунок 68. Архитектура интегрированной сети на базе технологий Ethernet и Wi-Fi

Заключение

Локальные беспроводные сети все больше и больше приобретают популярность среди пользователей. В течение нескольких лет они проходили процесс стандартизации, повышалась скорость передачи данных, цена на оборудование становилась доступнее. Сегодня беспроводные сети позволяют предоставить подключение пользователей там, где затруднено кабельное подключение или необходима полная мобильность. При этом беспроводные сети без проблем взаимодействуют с проводными сетями. В настоящее время беспроводные решения принимаются во внимание при проектировании любых сетей - от малого офиса до предприятия. Это, зачастую, экономит и средства, и трудозатраты, и время.

Потребность в беспроводном доступе к локальным сетям растёт по мере увеличения числа мобильных устройств, таких как ноутбуки и PDA, а так же с ростом желания пользователей быть подключенными к сети без необходимости использования сетевого провода в своем компьютере.

В данной работе проводилась практическая разработка интегрированной сети доступа с проводным и беспроводным сегментами. Актуальность рассматриваемой проблемы объясняется резким увеличением пользователей с мобильными устройствами в последнее время. Им требуется быстрый доступ на высокой скорости к ресурсам уже построенных проводных локальных сетей или доступ в Интернет. В работе выбрано конкретное оборудование для построения сети и приведены его параметры и характеристики. Таким образом, используя дипломную работу можно быстро развернуть беспроводную сеть Wi-Fi, подключенную к проводной сети Ethernet.

Приведенная схема интегрированной сети облегчает выбор типа используемого беспроводного оборудования для построения беспроводного сегмента сети и подключения мобильных пользователей с обеспечением требуемого уровня качества и пропускной способности.

В работе описывается также, какие виды сервисов или полезных и удобных функций могут быть предоставлены подключаемым пользователям с помощью используемого оборудования.

Список используемой литературы

1.  «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы» / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. - СПб.: Питер, 2001.

2.       «Базовые технологии локальных сетей» / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. - СПб.: Питер, 1999.

.        «Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11. Практическое руководство по изучению, разработке и использованию беспроводных ЛВС стандарта 802.11» / Педжман Рошан, Джонатан Лиэри. - М.: Cisco Press Перевод с английского Издательский дом «Вильямс», 2004.

.        «Современные технологии беспроводной связи» / Шахнович И. - М.: Техносфера, 2004.

.        «Сети и системы радиодоступа» / Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. - М.: Эко-Трендз, 2005.

.        «Анатомия беспроводных сетей» / Сергей Пахомов. - Компьютер-Пресс, №7, 2002.

.        «WLAN: практическое руководство для администраторов и профессиональных пользователей» / Томас Мауфер. - М.: КУДИЦ-Образ, 2005.

.        «Беспроводные сети. Первый шаг» / Джим Гейер. - М.: Издательство: Вильямс, 2005.

.        «Секреты беспроводных технологий» / Джек Маккалоу. - М.: НТ-Пресс, 2005.

10.  «Современные технологии и стандарты подвижной связи» / Кузнецов М.А., Рыжков А.Е. - СПб.: Линк, 2006.

11.     Официальный сайт компании Flylink - #"511796.files/image113.gif">

Рисунок 69. Стартовая страница «Мастера настроек» устройства D-Link

DI-624

Благодаря встроенной беспроводной точке доступа и коммутатору 10/100 Мбит/с, DI-624 обеспечивает готовое подключение для рабочих станций и серверов. Таким образом, применение маршрутизатора избавляет от необходимости применять дополнительные точки доступа Wi-Fi или коммутаторы Ethernet.

На рис. 70 показаны начальные и основные настройки. В них задается временная зона для маршрутизатора, пароль для доступа к конфигурации, параметры сети, опции беспроводной сети (идентификатор и номер канала), параметры безопасности и шифрования. После проведения настройки D-Link DI-624 сохраняет настройки в памяти и перезагружается уже с новыми параметрами.

Рисунок 70. Начальные настройки D-Link DI-624

Пароль администратора не должен распространяться посторонним людям. При утере пароля восстановить его можно только полностью сбросив все настройки маршрутизатора к заводским параметрам.

D-Link DI-624 поддерживает следующие стандарты беспроводной безопасности:

·    Шифрование 64 /128/152-бит WEP (Wired Equivalent Privacy)

·        Аутентификация 802.1x

·        WPA EAP, WPA PSK (Wi-Fi Protected Access)

В устройстве имеется встроенный коммутатор Fast Ethernet, поддерживающий стандарты:

·    IEEE 802.3 10BASE-T Ethernet

·        IEEE 802.3u 100BASE-TX Fast Ethernet

·        Автопереговоры ANSI/IEEE 802.3 NWay

В специальном пункте настройки локальной сети задается IP-адрес сети и маска подсети. В дополнение к этому D-Link DI-624 может быть установлен как DHCP-сервер (см. рис. 71) для распределения IP-адресов в локальной сети. Имеется возможность задать начальный и конечный адреса, из промежутка между которыми будут выбираться IP-адреса.

Рисунок 71. Настройки встроенного DHCP-сервера

Для защиты сети и пользователей в D-Link DI-624 применятся брандмауэр (Firewall), который может фильтровать (блокировать или пропускать) пакеты с определенных адресов или областей на определенные адреса или области (см. рис. 72).

Рисунок 72. Параметры брандмауэра D-Link DI-624

При подключении клиентов D-Link DWL-G520 или D-Link DWL-G650 к маршрутизатору DI-624 в режиме инфраструктуры будет доступна функция "Super G". Эта функция обеспечивает соединение на скорости до 108 Мбит/с (Турбо режим), что является идеальным решением для приложений беспроводных сетей, требующих высокой полосы пропускания. Для этого на маршрутизаторе должно быть установлено ПО с поддержкой 108 Мбит/с. В остальных режимах маршрутизатор будет работать на скорости до 54 Мбит/с в соответствии со стандартом IEEE 802.11g.

Использование этого режима определяется в пункте настройки параметров производительности маршрутизатора (см. рис. 73). Также здесь можно указать скорость передачи, величину преамбулы кадра и другие настройки. Отключение трансляции сетевого идентификатора может служить для дополнительной безопасности.

Рисунок 73. Настройки производительности

D-Link DI-624 оснащен простейшими инструментами мониторинга сети, например виртуальным тестером кабелей Fast Ethernet (см. рис. 74). Это достаточно полезная функция для локализации проблемы.

Рисунок 74. Результат тестирования сети при помощи виртуального

тестера

Не нарушая работоспособности маршрутизатора и сети в меню «Статус» можно в реальном времени просматривать статистику переданных пакетов через D-Link DI-624 (см. рис. 75). Это позволит хотя бы примерно определить нагрузку на устройство, и при наличии проблем, выявить их.

Рисунок 75. Статистика D-Link DI-624